濾波器在智能低壓斷路器中的應(yīng)用

　　現(xiàn)在對電子設(shè)備中來自電源的傳導(dǎo)噪聲和電子設(shè)備發(fā)生的輻射噪聲的要求越來越嚴格,所以對含電子產(chǎn)品的噪聲特性進行測定的必要性增加了。由于電源噪聲的混入已經(jīng)成為首要問題,特別在使用CPU的數(shù)字設(shè)備中,交流電源產(chǎn)生的噪聲會使設(shè)備產(chǎn)生誤動作,所以在對含電子的產(chǎn)品測定中都首指電源噪聲。而在各種各樣的電源器件中,電源變壓器由于其自身獨有的如下特點,在低壓斷路器,特別是ACB中廣泛應(yīng)用:

　　(1) 能夠傳輸功率但同時也是一個隔離器;

　　(2) 可靠性高,長期穩(wěn)定性好;

　　(3) 頻率范圍寬;

　　(4) 振幅的動態(tài)范圍寬;

　　(5) 可以自由地進行阻抗變換;

　　(6) 產(chǎn)生的噪聲小。

　　電源噪聲的混入由變壓器的參數(shù)規(guī)格所決定。最近,高頻開關(guān)電源由于體積小、重量輕、效率高,因而被大部分設(shè)備電源所采用。但是,在處理微弱信號的設(shè)備電源中,更多采用抗交流電源噪聲混入能力強、電源自身噪聲小的商業(yè)頻率的電源變壓器+降壓型電源。

　　電源變壓器最重要的基本性能是出于安全考慮的耐壓性、絕緣電阻、溫升、電壓變動率等。這里僅討論對處理微弱信號更為重要的有關(guān)噪聲的問題。如圖1所示的電源電路是利用變壓器的屏蔽層接大地,可有效阻斷共模噪聲。

　由于電源變壓器初級2次級之間是絕緣的,故也就具有阻斷共模噪聲的功能。發(fā)揮這種作用的方法就是靜電屏蔽。靜電屏蔽不會將來自交流電源的共模噪聲傳輸?shù)酱渭壱粋?cè),而是返回到初級的接地端。如果靜電屏蔽的連接發(fā)生錯誤,那么相反的噪聲電流就會流入信號源。這樣就會通過導(dǎo)線的阻抗變換為差模噪聲(噪聲串聯(lián)加到信號上)電壓,導(dǎo)致正好相反的結(jié)果。所以,設(shè)計者在線路板布線時,對電源變壓器實施靜電屏蔽時的連線非常重要,屏蔽層應(yīng)接入大地而不是與次級端地連接在一起,即直接返回噪聲源的接地點。

　　靜電屏蔽是為斷開初級2次級間的浮游電容而插入的,它的插入應(yīng)該包圍初級線圈部分,使初級線圈與次級線圈之間不產(chǎn)生直接的浮游電容。

　　但是在使用中即使使用靜電屏蔽狀態(tài)良好的電源變壓器,若初級一側(cè)的布線與次級一側(cè)的布線靠的很近,效果也可能大打折扣。特別是開關(guān)電源的布線,稍不注意就很容易靠近次級一側(cè)。靜電屏蔽僅對阻斷共模噪聲有效,對差模噪聲不起作用。

　　對差模噪聲,若變壓器輸入、輸出端各并接幾微法的電容器,與變壓器的泄漏電感形成三階型LC濾波器,就能衰減正模噪聲。但是,這種方法有效的頻率范圍僅在10 kHz～1 MHz的頻帶間。在電源變壓器設(shè)計時如保持適度的泄漏電感,利用對高頻特性的衰減,使差模噪聲也被衰減掉。

　　對共模干擾也可采用如下有效措施:在交流電源變壓器輸入端電源線左右分開,集中在鐵氧體磁環(huán)兩端分別穿繞4～8圈,組成一個共模扼流圈,原理圖如圖1所示,這也是一種抑制高頻、雷擊浪涌干擾的有效方法。理論上由于將輸入線同方向穿繞在鐵氧體上,這樣,當(dāng)差模電流流過穿繞在共模鐵氧體鐵芯的兩根輸入導(dǎo)線時,在鐵芯中產(chǎn)生的磁通大小相等,方向向反,相互抵消,故差模電流不產(chǎn)生磁通,這就意味著不產(chǎn)生電感。但實際中并非完全沒有產(chǎn)生差模電感,當(dāng)一個線圈中發(fā)生磁通時,沒有耦合到另一繞線中的磁通盡管小卻是存在的,即泄漏電感。該泄漏電感與電源變壓器自身的初級浮游電容、初級線圈的泄漏電感組成二階LC濾波電路,所以,這種利用鐵芯繞制方法對差模噪聲也起到了抑制作用。圖1中,當(dāng)共模噪聲流過穿繞在共模鐵氧體鐵芯的兩根輸入導(dǎo)線時,由于鐵芯中產(chǎn)生的磁通方向相同,故產(chǎn)生電感。也即這種利用鐵芯繞制方法對共模噪聲電流產(chǎn)生阻抗,故減少了噪聲電流。阻抗為2πfL ,故噪聲頻率越高,共模的阻抗越大,共模噪聲衰減量當(dāng)然也就越大。如在實際使用中成功地通過了GB /T 17626. 4 快速瞬變脈沖群、GB /T 17626. 5抗浪涌抗擾度[ 2 ]試驗等試驗。

　　1. 2　放大電路中濾波處理

　　處理模擬信號時ADC是必不可少的。在使用ADC對模擬信號進行量化處理,即數(shù)字化時,若信號中含有多次諧波成份而硬件電路及軟件又不進行濾波處理時,ADC就會采集到不同的頻率成份,從而發(fā)生量誤差,導(dǎo)致控制器不能正確保護負載正常工作。斷路器的特性保護就是依賴于傳感器的輸出信號,像ACB中的電流取樣為毫伏至伏級電壓信號,當(dāng)傳感器檢測到的信號較弱,在傳送傳感器信號的過程中又會有噪聲混入時,就很難判斷信號與噪聲,噪聲會使信號值飄動,信號準(zhǔn)確度下降,這就要求在信號進入ADC之前必須進行濾波處理。若能夠干凈地除去混入的噪聲成份,只保留信號頻率成份,配合高分辨率ADC就能進行高精度地處理所獲得的信號,故選擇一種合適的濾波放大電路尤為重要。

　　放大器可選擇帶通濾波放大、低通濾波放大、R 2C組成的雙T選頻放大、差動放大。濾波器的帶寬越窄,除去噪聲的能力就越強。但是,信號有急劇變化時濾波器的輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間也變長。下面以帶通濾波放大器和低通濾波放大器為例,比較說明在設(shè)計中的應(yīng)用。帶通濾波放大器中心頻率為50 Hz,其頻帶較窄,抗諧波干擾能力較強,但其響應(yīng)速度較低通濾波放大慢,只能在一般只有顯示要求或處理實時性不高的場合使用,如用在實時性高的控制電路中就不能滿足要求了,例如在ACB或MCCB中有線路短路瞬時處理控制時,就要求輸入波形與輸出波形盡量保持同步,在放大器固有的延時時間不能改變的情況下,就需恰當(dāng)?shù)剡x擇濾波電路。圖2為一種典型的二階多重反饋型帶通濾波放大器電路