電源噪聲干擾對電子儀器設(shè)備的危害分析及對策

文/黃世平

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，很多先進(jìn)的電子儀器設(shè)備都廣泛應(yīng)用于不同的企業(yè)和事業(yè)單位中，而這些儀器設(shè)備主要包括分析測試儀器設(shè)備、不同類型的示波器、核探器以及電腦等等，在有些用戶群體中對于一些電子儀器設(shè)備的破壞，認(rèn)為其關(guān)鍵原因是設(shè)備自身質(zhì)量不佳和使用性能不良，并沒有考慮到供電電源噪聲干擾所引起的危害。更加不需要考慮電源噪聲產(chǎn)生的影響和供電電源的運行情況。本文首先分析了我國交流供電質(zhì)量的現(xiàn)狀，然后介紹了電源噪聲及其主要危害，最后提出了解決電源干擾危害電子儀器設(shè)備的有效措施，希望可以為有需要的人提供參考意見。

1 電源噪聲的定義和分類

1.1 定義

在電磁干擾中電源噪聲是重要的組成部分，其傳導(dǎo)噪聲頻譜到10kHz-20MHz之間，最高可以達(dá)到150MHz。電源噪聲，尤其是瞬態(tài)噪聲干擾，其增加速度相當(dāng)快、持續(xù)時間長、電壓振幅度較高、隨機(jī)性較強(qiáng)、容易干擾數(shù)字電路和微機(jī)。

1.2 分類

首先，根據(jù)不同的傳播方向劃分，電源噪聲主要分為兩大類：

（1）從電源進(jìn)線引進(jìn)的外界環(huán)境干擾；

（2）由電子儀器設(shè)備引起且經(jīng)過電源線傳送出來的噪聲。

其次，根據(jù)其形成特征劃分，電源噪聲干擾可以分成兩大類，分別是共模干擾和串模干擾。共模干擾是兩條電源線對大地引起的噪聲，而串模干擾是兩條電源線之間引起的噪聲。

2 我國交流供電質(zhì)量的現(xiàn)狀分析

我國屬于發(fā)展中國家，現(xiàn)代科技儀器設(shè)備、電子儀器設(shè)備等負(fù)荷量僅占市電總負(fù)載的極少量。當(dāng)前，已有的供電設(shè)備，不管是配電的接地技術(shù)還是導(dǎo)線尺寸，其要求都是基于很多重型電氣設(shè)備和電氣裝置進(jìn)行執(zhí)行。并沒有充分考慮到電腦等系統(tǒng)以毫秒級速度開關(guān)所要求的低阻抗負(fù)載。因為我國在電力供應(yīng)方面是嚴(yán)重緊缺的，存在一些質(zhì)量問題，比如：電源內(nèi)阻過高、地線系統(tǒng)各要求不相符、供電線路缺乏規(guī)范性等等，沒有得到密切關(guān)注。并且功能供電電壓地區(qū)存在較大的差別，也存在晝夜溫差大的情況，供電質(zhì)量沒有保障，電壓最低有130伏，最高有300伏。面對這情況，電腦、電子儀器設(shè)備等設(shè)備以及一般穩(wěn)壓電源都處于高危險使用狀況。

圖2：電壓浪涌和跌落波形圖

圖3：交流凈化電源簡圖

圖4：對比兩組不同諧振虛線

與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國供電質(zhì)量是較低的，在短期內(nèi)難以出現(xiàn)重大的改善，供電質(zhì)量對用戶的日常生活造成困擾。在當(dāng)前各地區(qū)使用的電網(wǎng)中存在很大的電網(wǎng)噪音，其主要原因是因為電網(wǎng)中的變電站、輸電線以及發(fā)電機(jī)都存在較強(qiáng)的內(nèi)阻抗，從而導(dǎo)致電網(wǎng)用戶與用戶之間出現(xiàn)互相噪聲干擾的情況。在用電高峰階段高于其負(fù)荷能力時，電網(wǎng)電壓就會不斷增加。但電網(wǎng)功率因數(shù)偏小時，供電部門必須要采取并入電網(wǎng)的電容器，對功率因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，此時在380V/220V電網(wǎng)中很有可能會引起超過1kV的尖峰電壓。高壓輸電線屬于懸浮型的接地系統(tǒng)，在其附近出現(xiàn)閃電時，能夠在380V/220V電網(wǎng)中激起3kV的尖峰電壓。一些單位由于在使用電腦或者電子儀器設(shè)備時沒有考慮到接線問題，零線對地線的電壓超過50伏，對于靈敏性的電子設(shè)備而言是難以保持安全可靠穩(wěn)定的運行。

3 電源噪聲及其主要危害

在交流50Hz供電過程中，50Hz供電頻率正弦波以外的所有成分，都是一種電源干擾。其主要有三種類型，分別是脈沖式尖峰干擾、減幅震蕩干擾和電壓浪涌和跌落。

3.1 脈沖式尖峰干擾

該干擾持續(xù)時間不高于數(shù)毫秒，往往都處于15毫微秒-90毫微秒之間，而且幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比供電交流峰高。在有些情況下尖峰干擾或者脈沖的幅值甚至高于供電峰值，已經(jīng)高達(dá)3500V-5000V。通常，閃電是脈沖干擾的主要來源，主要包括周圍缺乏優(yōu)良的避雷系統(tǒng)而直接遭受雷擊；而更多的是距離較近的閃電經(jīng)電磁感應(yīng)耦合到供電線路內(nèi)。可控硅元件的導(dǎo)通也容易對其供電電源引起脈沖干擾。如圖1所示。

3.2 減幅震蕩干擾

該干擾最低是400Hz，最高是5000Hz，也有較高頻率的減負(fù)震蕩，其起始幅值都比供電交流電壓峰值高，持續(xù)時間等同于供電電源的1個周期。之所以出現(xiàn)該干擾，關(guān)鍵在于改善供電系統(tǒng)的功率因數(shù)時，因為接入補償電容器造成的；也有可能是因為有些用電設(shè)備的開關(guān)過程而引起的瞬態(tài)過程。

3.3 電壓浪涌和跌落

該干擾持續(xù)時間是5ms-5s的供電電壓，瞬間高于標(biāo)稱供電電壓的25%或者瞬間跌落到小于供電電壓的10%，在有些地區(qū)該變化已經(jīng)達(dá)到±30%。該干擾是因為大功率用電設(shè)備的中斷，電網(wǎng)系統(tǒng)中臨時出現(xiàn)的故障以及供電電源自身的電壓調(diào)節(jié)過程等造成的。比如：一些設(shè)備的開機(jī)中斷，電流會迅速超過正常值的6倍。該開機(jī)浪涌會造成供電電壓出現(xiàn)跌落的情況。如圖2所示。

以上三種類型電源噪聲干擾的危害主要有以下幾點：

（1）過壓。也就電壓比額定電壓高。長時間的過壓，增加設(shè)備壓力，造成電能的大量浪費，過壓偏高很有可能將儀器設(shè)備燒掉。

（2）欠壓。也就是按照規(guī)定的計劃降壓使用。長時間欠壓，導(dǎo)致設(shè)備無法安全可靠的工作，這時我們都會選擇穩(wěn)壓器，容易導(dǎo)致電壓大大地減少，我們再增加使用穩(wěn)壓器，電壓再次下降，引起一種不良的惡性循環(huán)。在供電水平不夠、配電系統(tǒng)缺乏合理、內(nèi)阻較大等情況下是十分嚴(yán)重的。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，欠壓或者過壓高出標(biāo)稱值的10%，就容易縮短儀器設(shè)備的使用期限。

（3）停電，也就按照計劃停電或者事故停電，其危害相當(dāng)大，突然停電可以將電腦原有的程序全部損壞，造成停工，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。無論什么負(fù)載的改變，供電的瞬間接通或者切斷，一般都會導(dǎo)致儀器設(shè)備出現(xiàn)各種故障。

（4）掉電、暫態(tài)和浪涌。時高時低的電源快變化，該快變化會損壞儀器設(shè)備，嚴(yán)重還會燒毀儀器設(shè)備，頻繁損壞電腦的內(nèi)儲存。只要凹陷和浪涌達(dá)到±20%，就很有可能導(dǎo)致儀器設(shè)備的質(zhì)量下降。

（5）尖峰。在電腦內(nèi)電源正負(fù)尖峰代替時鐘脈沖時，容易使運算時間程序被打亂，其危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。如果尖峰電壓比交流電壓標(biāo)稱值超出±25%，就容易導(dǎo)致電腦功能不能正常使用或者導(dǎo)致?lián)p失。對于220V/50Hz的供電系統(tǒng)，尖峰電壓不可以超出±75V。

（6）衰減震蕩式干擾電壓。若干擾電壓比交流電壓標(biāo)稱值高于±15%，勢必會導(dǎo)致功能不能正常發(fā)揮，其臨界值在45V左右。

4 解決電源噪聲干擾危害電子儀器設(shè)備的有效措施

結(jié)合以上分析，當(dāng)前存在很大的電源噪聲和電網(wǎng)噪聲，經(jīng)常對各種電子儀器設(shè)備產(chǎn)生危害。我國在短期內(nèi)無法提供質(zhì)量可靠的電源，解決方法是在用戶設(shè)備與電網(wǎng)二者之間，加入二次供電裝置，真正實現(xiàn)局部高質(zhì)量的交流供電環(huán)境。

4.1 對二次供電裝置的要求

（1）在確保輸出電壓具有較強(qiáng)穩(wěn)壓精確度的條件下，盡量擴(kuò)大輸入電壓范圍；

（2）反應(yīng)速度較快，可以有效解決凹陷及浪涌問題；

（3）具有控制衰減震蕩以及尖峰等高頻干擾脈沖能力；

（4）一旦供電系統(tǒng)遭受雷擊或者存在異常高壓等情況時，可以確保保護(hù)用電設(shè)備完好無損，一切正常工作；

（5）電源具有很高的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，不可以由于二次供電裝置出現(xiàn)故障而引起用電設(shè)備的損壞；

（6）如果要求連續(xù)供電，必須要合理運用各種用電儀器設(shè)備，比如：逆變器、備用發(fā)電器等等，還要及時更換設(shè)備。

4.2 電源凈化技術(shù)和凈化電源

一般的穩(wěn)壓電源僅僅可以將電源慢變化解決，對電源快變化是沒有任何作用的。當(dāng)前普遍采用的技術(shù)主要以下幾種：磁飽和穩(wěn)壓技術(shù)、抽頭開關(guān)技術(shù)、電池技術(shù)、低通濾波技術(shù)以及參數(shù)穩(wěn)壓技術(shù)等等。下面著重介紹一些技術(shù)。

4.3 交流凈化電源

通常，交流凈化電源，是指可以迅速響應(yīng)調(diào)整電壓，而且對常模尖峰干擾具有一定抑制力的電源。交流凈化電源的基本原理是采取正弦能量分配和大功率濾波器并聯(lián)組成。在電感兩端將分配器進(jìn)行并聯(lián)，其可以通過正弦波電流的方法將能量根據(jù)需求準(zhǔn)確輸進(jìn)電感中，而且電感電壓是正的、負(fù)的，或者是零的，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓Uin

4.4 多參數(shù)穩(wěn)壓電源

多參數(shù)穩(wěn)壓技術(shù)在電源凈化技術(shù)中是一種較為顯著的方法，其在以往磁飽和穩(wěn)壓技術(shù)的前提下融入平行磁通的概念，將磁飽和穩(wěn)壓器中的強(qiáng)迫震蕩轉(zhuǎn)變成利用周期性的改變諧振回路里的存儲電感的參數(shù)，使得電源能量可以在同一個周期下分別兩次饋進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部，從而形成激勵制度，對比兩組不同諧振曲線如圖4所示。從圖中能發(fā)現(xiàn)，參數(shù)診斷具有獨特的諧振曲線，邊緣衰減速度較快，是一種不大的矩形，所以其抗噪聲干擾能力是相當(dāng)強(qiáng)的。參數(shù)穩(wěn)壓器僅僅使用電容、鐵心，不需要使用其他類型的元器件，所以具有較高的安全性和穩(wěn)定性。在一些電源干擾較大的場合中應(yīng)當(dāng)選擇多參數(shù)穩(wěn)壓電源。比如：220V輸入電壓在100V-300V之間，而且電源噪聲干擾尖峰超過3kV-4kV的場合。對比兩組不同諧振虛線見圖4。

4.5 逆變和電池技術(shù)

連續(xù)電源就是將電池技術(shù)和逆變技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，其采取脈寬調(diào)制技術(shù)，確保逆變器可以同時處于工作在線性放大狀態(tài)和工作在開關(guān)狀態(tài)。將大電流電源、交流電源、變頻電源以及高壓電源結(jié)合相結(jié)合，這樣在很大程度上能夠解決正弦波和逆變器效益兩者之間的沖突。但是需要注意的是，對連續(xù)電源進(jìn)行使用與選擇時，必須要充分考慮到其使用的具體場合與環(huán)境。

圖5：對比不同類型的交流電源穩(wěn)壓特性

盡管后備式連續(xù)電源具有一定的抗干擾能力和穩(wěn)壓，但是事實上其穩(wěn)壓范圍較小，反應(yīng)遲鈍，很難控制浪涌等迅速脈動干擾；抗干擾能力通過低通濾波器完成，只可以作用于高頻譜，對一些破壞性較大、經(jīng)常見到的低頻譜干擾是沒有意義的。整體來說，在有效供電條件較差的地區(qū)，單純的采用后備式的連續(xù)電源，并不能從根本上對交流供電的質(zhì)量進(jìn)行改善，也不能對電子儀器設(shè)備起到保護(hù)的作用。在該情況下，最佳的方法是在使用連續(xù)電源前，由專業(yè)人員安裝一個多參數(shù)穩(wěn)壓電源或者交流凈化電源。而在線式連續(xù)電源對凈化和抗干擾電源噪音起到重要的意義，其結(jié)合了逆變技術(shù)、電池技術(shù)以及電源技術(shù)，能夠給用戶提供一個優(yōu)質(zhì)的電源。然而因為在線式連續(xù)電源價格普遍較高、維護(hù)成本不低，所以我們必須要根據(jù)實際需求和經(jīng)濟(jì)水平選擇適合的。對比不同類型的交流電源穩(wěn)壓特性見圖5所示。

5 結(jié)語

供電質(zhì)量和電源噪聲干擾的不可靠，是目前存在的主要問題，若仍舊采取以往的穩(wěn)壓技術(shù)，現(xiàn)代先進(jìn)電子儀器設(shè)備在受到超過千伏尖峰電壓的沖擊和電網(wǎng)電壓大面積變動時是沒有意義的，勢必會損壞電子儀器設(shè)備。因此，必須要結(jié)合具體情況正確的選擇二次供電裝置，比如：凈化電源以及多參數(shù)穩(wěn)壓電源都是有必要的，盡量保證電子設(shè)備安全穩(wěn)定的供電，延長電子設(shè)備的使用期限。