開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)分析

孫 娟

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源多包含直流和交流兩種類(lèi)型，為了進(jìn)一步改善開(kāi)關(guān)電源的使用效果，結(jié)合開(kāi)關(guān)電源的電磁反應(yīng)及輸入輸出信號(hào)干擾制定科學(xué)的抗干擾技術(shù)指導(dǎo)方案，用于輔助有關(guān)人員充分采取抗干擾措施，確保開(kāi)關(guān)電源在綜合領(lǐng)域中展現(xiàn)實(shí)踐價(jià)值，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

1 開(kāi)關(guān)電源抗干擾技術(shù)的應(yīng)用意義

1.1 延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電源使用年限

開(kāi)關(guān)電源本身具備高效、高頻、高功率等特征，在其實(shí)際使用期間極易遭受外界干擾，繼而加劇故障風(fēng)險(xiǎn)。若能在技術(shù)層面上充分應(yīng)用抗干擾技術(shù)，則能夠適當(dāng)延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)電源的使用年限，也能有效控制故障率，促使在實(shí)際使用場(chǎng)景中保持持久穩(wěn)定性。因此，加強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)是研發(fā)與利用開(kāi)關(guān)電源期間的關(guān)鍵內(nèi)容[1]。

1.2 有效抑制開(kāi)關(guān)電源危害

開(kāi)關(guān)電源作為與電力設(shè)備直接連接的部件，一旦受到電磁干擾、靜電放電干擾等干擾源的侵害，極易產(chǎn)生設(shè)備停運(yùn)或開(kāi)關(guān)電源異常現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、設(shè)備損壞等不良后果。如果及時(shí)借助抗干擾技術(shù)增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源抗干擾能力，即可抑制開(kāi)關(guān)電源危害的發(fā)生，促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2 開(kāi)關(guān)電源常見(jiàn)干擾源

開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際使用過(guò)程中，最常遇到的干擾源多包含以下3種。

（1）電磁干擾。此種干擾源是開(kāi)關(guān)電源中最常見(jiàn)的干擾因素，目前在開(kāi)關(guān)電源的抗干擾設(shè)計(jì)上提出的多項(xiàng)舉措均是出于應(yīng)對(duì)電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)的目的。之所以會(huì)出現(xiàn)電磁干擾，其根本原因多與開(kāi)關(guān)動(dòng)作、電感元件、變壓器元件、熱輻射有關(guān)。

（2）靜電放電。開(kāi)關(guān)電源的靜電多來(lái)源于人體帶電、外殼帶電，或是在研發(fā)制造中元器件形成摩擦靜電，靜電的出現(xiàn)將增加元件損壞風(fēng)險(xiǎn)。此外，在電磁波傳播過(guò)程中，也會(huì)因電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)相互影響引發(fā)局部放電情況，從而干擾開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行狀態(tài)[3]。

（3）用電設(shè)備。開(kāi)關(guān)電源作為多領(lǐng)域中必不可少的元件，若在使用期間未能加強(qiáng)閉合有效管理，或是與用電設(shè)備連接時(shí)出現(xiàn)間斷連接情況，也會(huì)削弱開(kāi)關(guān)電源使用效果。根據(jù)上述多項(xiàng)干擾源，需要提出對(duì)應(yīng)的抗干擾技術(shù)應(yīng)用對(duì)策，有效抵御干擾源侵害[4,5]。

3 開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)要點(diǎn)

3.1 電磁兼容技術(shù)

在強(qiáng)化開(kāi)關(guān)電源抗干擾效果時(shí)，可以采用電磁兼容技術(shù)消除電磁干擾，此項(xiàng)技術(shù)的合理運(yùn)用能從根本上提升開(kāi)關(guān)電源的抗干擾能力。所謂的電磁兼容技術(shù)是以容納電磁感應(yīng)的方式降低電磁敏感度,該技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容主要包含以下3點(diǎn)。

（1）優(yōu)選電源主電路。在確定電源主電路時(shí)，需要選用軟開(kāi)關(guān)拓?fù)潆娫?。此?lèi)開(kāi)關(guān)電源具有更強(qiáng)的抗電磁干擾能力，其電路如圖1所示。同時(shí)還要確定好功率因數(shù)參數(shù)，一般情況下，開(kāi)關(guān)電源容易形成諧波現(xiàn)象，進(jìn)而降低運(yùn)行穩(wěn)定性。在電路連接時(shí)可以采取并聯(lián)電路連接方式，而且也要選用功率因數(shù)為0.9的開(kāi)關(guān)電源，此種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源往往可以表現(xiàn)出抗干擾優(yōu)勢(shì)[6,7]。

圖1 電磁抗干擾技術(shù)原理

（2）推行開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)模式。在實(shí)施電磁兼容技術(shù)時(shí)，需要以軟啟動(dòng)的方法緩解沖擊電流，使之在閉合狀態(tài)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度參數(shù)的有效把控。開(kāi)關(guān)電源元器件配置上，需要以帶有抗干擾性的元器件為主，如降噪開(kāi)關(guān)管、低壓降二極管。此外，抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注重抗諧波干擾，二極管對(duì)開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際影響為：

式中：R為二極管限流電阻；UF為正向壓降；IF為電流值；E為開(kāi)關(guān)電源電壓。由式（1）可知電壓與二極管元器件的電流、限流電阻等參數(shù)存在密切關(guān)聯(lián)，若能加強(qiáng)元器件抗干擾性，即可消除開(kāi)關(guān)電源干擾風(fēng)險(xiǎn)[8]。

（3）優(yōu)選濾波器。在電磁兼容技術(shù)應(yīng)用中也要為其選取適合的濾波器，在濾波器效能輔助下，有利于維護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)安全，確保開(kāi)關(guān)電源免受干擾。如選用饋通濾波器，因?yàn)槠渑溆锌垢蓴_元件，所以具備抗干擾功能[9]。

3.2 開(kāi)合傳導(dǎo)抗干擾技術(shù)

在電磁抗干擾技術(shù)應(yīng)用中，開(kāi)合傳導(dǎo)抗干擾技術(shù)的可行性較強(qiáng)。結(jié)合學(xué)者田斌等人的研究成果，在開(kāi)關(guān)電源開(kāi)合傳導(dǎo)期間，以仿真設(shè)計(jì)理念圍繞開(kāi)關(guān)電源開(kāi)合動(dòng)作予以調(diào)節(jié)，是抑制誤動(dòng)作的關(guān)鍵途徑。

首先，判斷電容濾波器在電容參數(shù)差異的情況下是否會(huì)引起濾波頻率參數(shù)的改變。圍繞相關(guān)研究成果，電容濾波器的應(yīng)用可以適當(dāng)降低高頻感應(yīng)，且上限頻率同濾波結(jié)果具備反相關(guān)關(guān)系。隨著上限頻率的降低，濾波效能隨之增強(qiáng)，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)合傳導(dǎo)動(dòng)作，若上限頻率偏低，則濾波效果更強(qiáng)，由此展現(xiàn)抗干擾價(jià)值。其次，二極管等元器件也會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行質(zhì)量，形成增加瞬態(tài)電壓，以便按照既定電壓標(biāo)準(zhǔn)完成指定開(kāi)合動(dòng)作[10]。經(jīng)過(guò)二極管電壓控制水平的提高，可以避免開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)合過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬時(shí)電壓，致使開(kāi)關(guān)電源遭受損害。最后，還要優(yōu)化周邊連接設(shè)施的性能，縮短開(kāi)合傳導(dǎo)周期，而且在為其配備避雷器等輔助設(shè)施時(shí)也要盡量選取氧化鋅等性能優(yōu)良的材質(zhì)，這樣才能體現(xiàn)出電路保護(hù)效用。

依據(jù)上述研究結(jié)果，加強(qiáng)對(duì)開(kāi)合傳導(dǎo)工作的抗干擾設(shè)計(jì)，采取技術(shù)手段改善抗干擾效果，即可保障開(kāi)關(guān)電源的正常運(yùn)行，消除電磁感應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，減小電壓峰值與電壓頻率等參數(shù)值。

3.3 開(kāi)關(guān)電源接地技術(shù)

抗干擾技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中，在消除電磁干擾時(shí)也可以利用接地技術(shù)，確保開(kāi)關(guān)電源具備良好的抗干擾能力，其技術(shù)要點(diǎn)如下文所述。

（1）接地技術(shù)應(yīng)用中需要合理確定接地方式，常見(jiàn)的包括混合接地與多點(diǎn)、單點(diǎn)接地等。單點(diǎn)接地時(shí)，優(yōu)選串、并聯(lián)接地法，其電路如圖2所示。此項(xiàng)技術(shù)能夠增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源抗雷擊效果，致使雷電從大地渠道順利遷移，以免直接攻擊設(shè)備或是開(kāi)關(guān)電源。從相關(guān)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，接地技術(shù)的運(yùn)用還能切實(shí)維護(hù)人身安全，若事先設(shè)有接地連接模式，即使遭受開(kāi)關(guān)電源纜線老化或絕緣失效問(wèn)題，也能降低生命事故發(fā)生率。此外，在接地技術(shù)實(shí)操中應(yīng)秉承著就地連接原則進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)考慮到電路纜線分布中易產(chǎn)生干擾能量，合理搭配接地方式可以為開(kāi)關(guān)電源的安全使用創(chuàng)造有利條件。

圖2 開(kāi)關(guān)電源接地技術(shù)線路連接

（2）直流交流電分別接地，在確定開(kāi)關(guān)電源線路接地設(shè)計(jì)方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取隔離設(shè)計(jì)方式，避免線路出現(xiàn)干擾源。此外，除了要對(duì)線路進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)外，也要提前區(qū)分開(kāi)數(shù)字地、模擬地，就此避免開(kāi)關(guān)電源受到數(shù)字芯片的影響。

（3）區(qū)別功率地線，在高壓強(qiáng)電流條件下更容易對(duì)開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)強(qiáng)干擾，若將功率地線、弱點(diǎn)地線進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，有助于增加開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行可靠性。

3.4 電源芯片技術(shù)

在開(kāi)關(guān)電源抗干擾技術(shù)應(yīng)用階段，還可以利用電源芯片技術(shù)優(yōu)化抗干擾效果。根據(jù)相關(guān)研究，若能采取抗瞬態(tài)尖峰智能控制措施，縮短開(kāi)關(guān)電源閉合與斷開(kāi)間隔時(shí)間，即可減輕外界干擾對(duì)開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)的負(fù)面影響。因此，如果成功研發(fā)出帶有抗干擾價(jià)值的電源芯片，將其納入開(kāi)關(guān)電源中，也能適當(dāng)拓寬抗干擾渠道。依據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，此種抗干擾電源芯片的使用能夠提高電源轉(zhuǎn)換率，普遍高達(dá)70%，而且抗靜電能力可超過(guò)8 kV。在研發(fā)智能芯片時(shí)，要從降壓方向著手，避免開(kāi)關(guān)電源遭受高壓侵襲，從傳統(tǒng)的9 V減少為6 V，此時(shí)將此種低壓運(yùn)行芯片置入開(kāi)關(guān)電源中，能夠憑借內(nèi)部元件抗干擾價(jià)值，促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源抗干擾性的穩(wěn)步提升。

依據(jù)輸出電壓的計(jì)算公式能夠發(fā)現(xiàn)，若開(kāi)關(guān)電源芯片得到抗干擾設(shè)計(jì)，則可以最大化影響開(kāi)關(guān)電源整體抗干擾效果，相關(guān)公式為：

式中：UEA為輸出電壓；Uref、UH、UDC、gm、R0分別為誤差放大器的負(fù)端電壓、正端電壓、DC端電位、跨導(dǎo)以及電阻值。

計(jì)算后可以推斷出，抗干擾設(shè)計(jì)中可以從電源芯片優(yōu)化方面提出對(duì)應(yīng)舉措，既要增加芯片精度，又要縮小電壓差，最終促使在電源芯片技術(shù)輔助下可以獲取可靠的抗干擾成果[11]。

3.5 PCB抗干擾技術(shù)

開(kāi)關(guān)電源要想表現(xiàn)出抗干擾優(yōu)勢(shì)，還可以在內(nèi)部布局上加以改進(jìn)。在開(kāi)關(guān)電源中，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）占據(jù)關(guān)鍵地位，故此可以通過(guò)PCB抗干擾技術(shù)促使開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)有效的抗干擾目標(biāo)。

一方面，在布局過(guò)程中，PCB、二極管等元器件的配置需要杜絕高頻振動(dòng)。例如在上端可以擺放變壓器、PCB等散熱差的元器件，而且熱敏器件應(yīng)當(dāng)與之保持一定距離。在連接各元器件時(shí)使用的線路也應(yīng)當(dāng)遵從“最短原則”“最遠(yuǎn)原則”，抑制元件交叉誤碰風(fēng)險(xiǎn)。至于連接線路端口處，需要設(shè)置信號(hào)端，降低耦合反應(yīng)。

另一方面，相關(guān)人員在研發(fā)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，其間使用的線路需要適當(dāng)增加截面積，沿著信號(hào)傳遞方向擺放地線。在空間范圍允許的情況下，以多層印制板為主。目前，為了體現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的易操作性、簡(jiǎn)便性?xún)?yōu)勢(shì)，已經(jīng)開(kāi)始在開(kāi)關(guān)電源體積上進(jìn)行縮減。既要求使用的平行線不可偏長(zhǎng)，又應(yīng)當(dāng)新增地線，就此增強(qiáng)抗干擾能力。

4 結(jié) 論

在使用開(kāi)關(guān)電源期間，為了消除干擾源，理應(yīng)從電磁兼容、開(kāi)合傳導(dǎo)抗干擾、接地技術(shù)以及PCB抗干擾技術(shù)、電源芯片技術(shù)等方面著手，以期在技術(shù)導(dǎo)向下增強(qiáng)抗干擾能力，便于在控制電力設(shè)備閉合、斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)保持穩(wěn)定性能。同時(shí)，在未來(lái)也要加大開(kāi)關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)力度，滿足抗干擾需求。