电源噪声干扰对电子仪器设备的危害分析及对策

文/黄世平

近年来，随着我国社会经济的迅速发展，科技的不断进步，很多先进的电子仪器设备都广泛应用于不同的企业和事业单位中，而这些仪器设备主要包括分析测试仪器设备、不同类型的示波器、核探器以及电脑等等，在有些用户群体中对于一些电子仪器设备的破坏，认为其关键原因是设备自身质量不佳和使用性能不良，并没有考虑到供电电源噪声干扰所引起的危害。更加不需要考虑电源噪声产生的影响和供电电源的运行情况。本文首先分析了我国交流供电质量的现状，然后介绍了电源噪声及其主要危害，最后提出了解决电源干扰危害电子仪器设备的有效措施，希望可以为有需要的人提供参考意见。

1 电源噪声的定义和分类

1.1 定义

在电磁干扰中电源噪声是重要的组成部分，其传导噪声频谱到10kHz-20MHz之间，最高可以达到150MHz。电源噪声，尤其是瞬态噪声干扰，其增加速度相当快、持续时间长、电压振幅度较高、随机性较强、容易干扰数字电路和微机。

1.2 分类

首先，根据不同的传播方向划分，电源噪声主要分为两大类：

（1）从电源进线引进的外界环境干扰；

（2）由电子仪器设备引起且经过电源线传送出来的噪声。

其次，根据其形成特征划分，电源噪声干扰可以分成两大类，分别是共模干扰和串模干扰。共模干扰是两条电源线对大地引起的噪声，而串模干扰是两条电源线之间引起的噪声。

2 我国交流供电质量的现状分析

我国属于发展中国家，现代科技仪器设备、电子仪器设备等负荷量仅占市电总负载的极少量。当前，已有的供电设备，不管是配电的接地技术还是导线尺寸，其要求都是基于很多重型电气设备和电气装置进行执行。并没有充分考虑到电脑等系统以毫秒级速度开关所要求的低阻抗负载。因为我国在电力供应方面是严重紧缺的，存在一些质量问题，比如：电源内阻过高、地线系统各要求不相符、供电线路缺乏规范性等等，没有得到密切关注。并且功能供电电压地区存在较大的差别，也存在昼夜温差大的情况，供电质量没有保障，电压最低有130伏，最高有300伏。面对这情况，电脑、电子仪器设备等设备以及一般稳压电源都处于高危险使用状况。

图2：电压浪涌和跌落波形图

图3：交流净化电源简图

图4：对比两组不同谐振虚线

与欧美发达国家相比，我国供电质量是较低的，在短期内难以出现重大的改善，供电质量对用户的日常生活造成困扰。在当前各地区使用的电网中存在很大的电网噪音，其主要原因是因为电网中的变电站、输电线以及发电机都存在较强的内阻抗，从而导致电网用户与用户之间出现互相噪声干扰的情况。在用电高峰阶段高于其负荷能力时，电网电压就会不断增加。但电网功率因数偏小时，供电部门必须要采取并入电网的电容器，对功率因素进行适当的调整，此时在380V/220V电网中很有可能会引起超过1kV的尖峰电压。高压输电线属于悬浮型的接地系统，在其附近出现闪电时，能够在380V/220V电网中激起3kV的尖峰电压。一些单位由于在使用电脑或者电子仪器设备时没有考虑到接线问题，零线对地线的电压超过50伏，对于灵敏性的电子设备而言是难以保持安全可靠稳定的运行。

3 电源噪声及其主要危害

在交流50Hz供电过程中，50Hz供电频率正弦波以外的所有成分，都是一种电源干扰。其主要有三种类型，分别是脉冲式尖峰干扰、减幅震荡干扰和电压浪涌和跌落。

3.1 脉冲式尖峰干扰

该干扰持续时间不高于数毫秒，往往都处于15毫微秒-90毫微秒之间，而且幅度远远比供电交流峰高。在有些情况下尖峰干扰或者脉冲的幅值甚至高于供电峰值，已经高达3500V-5000V。通常，闪电是脉冲干扰的主要来源，主要包括周围缺乏优良的避雷系统而直接遭受雷击；而更多的是距离较近的闪电经电磁感应耦合到供电线路内。可控硅元件的导通也容易对其供电电源引起脉冲干扰。如图1所示。

3.2 减幅震荡干扰

该干扰最低是400Hz，最高是5000Hz，也有较高频率的减负震荡，其起始幅值都比供电交流电压峰值高，持续时间等同于供电电源的1个周期。之所以出现该干扰，关键在于改善供电系统的功率因数时，因为接入补偿电容器造成的；也有可能是因为有些用电设备的开关过程而引起的瞬态过程。

3.3 电压浪涌和跌落

该干扰持续时间是5ms-5s的供电电压，瞬间高于标称供电电压的25%或者瞬间跌落到小于供电电压的10%，在有些地区该变化已经达到±30%。该干扰是因为大功率用电设备的中断，电网系统中临时出现的故障以及供电电源自身的电压调节过程等造成的。比如：一些设备的开机中断，电流会迅速超过正常值的6倍。该开机浪涌会造成供电电压出现跌落的情况。如图2所示。

以上三种类型电源噪声干扰的危害主要有以下几点：

（1）过压。也就电压比额定电压高。长时间的过压，增加设备压力，造成电能的大量浪费，过压偏高很有可能将仪器设备烧掉。

（2）欠压。也就是按照规定的计划降压使用。长时间欠压，导致设备无法安全可靠的工作，这时我们都会选择稳压器，容易导致电压大大地减少，我们再增加使用稳压器，电压再次下降，引起一种不良的恶性循环。在供电水平不够、配电系统缺乏合理、内阻较大等情况下是十分严重的。根据有关统计资料显示，欠压或者过压高出标称值的10%，就容易缩短仪器设备的使用期限。

（3）停电，也就按照计划停电或者事故停电，其危害相当大，突然停电可以将电脑原有的程序全部损坏，造成停工，给用户带来经济损失。无论什么负载的改变，供电的瞬间接通或者切断，一般都会导致仪器设备出现各种故障。

（4）掉电、暂态和浪涌。时高时低的电源快变化，该快变化会损坏仪器设备，严重还会烧毁仪器设备，频繁损坏电脑的内储存。只要凹陷和浪涌达到±20%，就很有可能导致仪器设备的质量下降。

（5）尖峰。在电脑内电源正负尖峰代替时钟脉冲时，容易使运算时间程序被打乱，其危害是相当严重的。如果尖峰电压比交流电压标称值超出±25%，就容易导致电脑功能不能正常使用或者导致损失。对于220V/50Hz的供电系统，尖峰电压不可以超出±75V。

（6）衰减震荡式干扰电压。若干扰电压比交流电压标称值高于±15%，势必会导致功能不能正常发挥，其临界值在45V左右。

4 解决电源噪声干扰危害电子仪器设备的有效措施

结合以上分析，当前存在很大的电源噪声和电网噪声，经常对各种电子仪器设备产生危害。我国在短期内无法提供质量可靠的电源，解决方法是在用户设备与电网二者之间，加入二次供电装置，真正实现局部高质量的交流供电环境。

4.1 对二次供电装置的要求

（1）在确保输出电压具有较强稳压精确度的条件下，尽量扩大输入电压范围；

（2）反应速度较快，可以有效解决凹陷及浪涌问题；

（3）具有控制衰减震荡以及尖峰等高频干扰脉冲能力；

（4）一旦供电系统遭受雷击或者存在异常高压等情况时，可以确保保护用电设备完好无损，一切正常工作；

（5）电源具有很高的安全性、稳定性和可靠性，不可以由于二次供电装置出现故障而引起用电设备的损坏；

（6）如果要求连续供电，必须要合理运用各种用电仪器设备，比如：逆变器、备用发电器等等，还要及时更换设备。

4.2 电源净化技术和净化电源

一般的稳压电源仅仅可以将电源慢变化解决，对电源快变化是没有任何作用的。当前普遍采用的技术主要以下几种：磁饱和稳压技术、抽头开关技术、电池技术、低通滤波技术以及参数稳压技术等等。下面着重介绍一些技术。

4.3 交流净化电源

通常，交流净化电源，是指可以迅速响应调整电压，而且对常模尖峰干扰具有一定抑制力的电源。交流净化电源的基本原理是采取正弦能量分配和大功率滤波器并联组成。在电感两端将分配器进行并联，其可以通过正弦波电流的方法将能量根据需求准确输进电感中，而且电感电压是正的、负的，或者是零的，进而导致输出电压Uin

4.4 多参数稳压电源

多参数稳压技术在电源净化技术中是一种较为显著的方法，其在以往磁饱和稳压技术的前提下融入平行磁通的概念，将磁饱和稳压器中的强迫震荡转变成利用周期性的改变谐振回路里的存储电感的参数，使得电源能量可以在同一个周期下分别两次馈进系统内部，从而形成激励制度，对比两组不同谐振曲线如图4所示。从图中能发现，参数诊断具有独特的谐振曲线，边缘衰减速度较快，是一种不大的矩形，所以其抗噪声干扰能力是相当强的。参数稳压器仅仅使用电容、铁心，不需要使用其他类型的元器件，所以具有较高的安全性和稳定性。在一些电源干扰较大的场合中应当选择多参数稳压电源。比如：220V输入电压在100V-300V之间，而且电源噪声干扰尖峰超过3kV-4kV的场合。对比两组不同谐振虚线见图4。

4.5 逆变和电池技术

连续电源就是将电池技术和逆变技术进行有机结合，其采取脉宽调制技术，确保逆变器可以同时处于工作在线性放大状态和工作在开关状态。将大电流电源、交流电源、变频电源以及高压电源结合相结合，这样在很大程度上能够解决正弦波和逆变器效益两者之间的冲突。但是需要注意的是，对连续电源进行使用与选择时，必须要充分考虑到其使用的具体场合与环境。

图5：对比不同类型的交流电源稳压特性

尽管后备式连续电源具有一定的抗干扰能力和稳压，但是事实上其稳压范围较小，反应迟钝，很难控制浪涌等迅速脉动干扰；抗干扰能力通过低通滤波器完成，只可以作用于高频谱，对一些破坏性较大、经常见到的低频谱干扰是没有意义的。整体来说，在有效供电条件较差的地区，单纯的采用后备式的连续电源，并不能从根本上对交流供电的质量进行改善，也不能对电子仪器设备起到保护的作用。在该情况下，最佳的方法是在使用连续电源前，由专业人员安装一个多参数稳压电源或者交流净化电源。而在线式连续电源对净化和抗干扰电源噪音起到重要的意义，其结合了逆变技术、电池技术以及电源技术，能够给用户提供一个优质的电源。然而因为在线式连续电源价格普遍较高、维护成本不低，所以我们必须要根据实际需求和经济水平选择适合的。对比不同类型的交流电源稳压特性见图5所示。

5 结语

供电质量和电源噪声干扰的不可靠，是目前存在的主要问题，若仍旧采取以往的稳压技术，现代先进电子仪器设备在受到超过千伏尖峰电压的冲击和电网电压大面积变动时是没有意义的，势必会损坏电子仪器设备。因此，必须要结合具体情况正确的选择二次供电装置，比如：净化电源以及多参数稳压电源都是有必要的，尽量保证电子设备安全稳定的供电，延长电子设备的使用期限。