面向加固计算机的低频传导发射抑制技术研究

王 涛，张 梅

(江苏自动化研究所计算机事业部，江苏 连云港 222006)

基于CPCI总线(紧凑型外围设备互联总线)的加固计算机是一种目前主流的加固机，通过配置不同的模块，该型加固计算机可以广泛应用在雷达、声呐、光电、指挥控制、火控、电子对抗、导航、通信、机电控制、损管控制等领域。目前，电磁兼容性已成为加固计算机产品必须具有的性能。在加固计算机电磁兼容问题中，比较难以解决的是电源线低频传导发射抑制。为了保证加固计算机的电磁兼容性能，提升加固计算机整机可靠性，很有必要对加固计算机电源线低频传导发射抑制技术进行研究，从而得到一种高效、适用的抑制方法。

1 加固计算机谐波产生机理

抑制电源线低频传导发射实际上是对加固计算机产生的谐波进行抑制，所有以交流电为电源的非线性负载都能产生电源基频的奇次谐波[1]。当正弦电压施加在线性无源元件如电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，因而电压波形也变为非正弦波[1]。任何非正弦的周期性波都可以用傅立叶级数展开：

式中：f(t)为非正弦波；F0为基波有效值;Hn为n次谐波幅值；ω为角频率；t为时间；φn为相位角。

因此一个周期函数可以分解为傅立叶级数，表示为多级正弦函数的和，即可把周期信号当作是正弦函数的基波与谐波的合成。

对于加固计算机而言，主要的谐波源是开关电源。开关电源将电网提供的单相交流电经过整流、滤波和稳压后，转换成为所需的+5V、+12V等直流电压输出。利用单向桥式整流电路，将电压波形由波形1变为波形2。然后经过电容滤波电路，将电压波形变为波形3。经过稳压电路后，电压波形变为波形4。开关电源电路波形图如图1所示。

图1 开关电源电路波形图

开关电源的稳压电路一般采用晶体管开关、功率开关管开关、可控硅开关3种开关元件。开关型直流稳压电源的组成如图2所示。图中，整流滤波电路将50Hz工频交流电压变换为直流电压；DC/AC变换电路将输入的直流电压变为高频脉冲电压，高频整流滤波输出电路将高频脉冲电压变换为直流输出电压。控制电路已全部实现集成化，一般由脉冲发生器和保护控制电路两部分组成。脉冲发生器的作用是产生受输出电压控制的脉宽(或频率)可调信号，保护电路的作用是当直流稳压输出被短路或过载时立即终止输出脉宽(或频率)可调信号，使DC/AC变换电路的输出电压为0V。

图2 开关型直流稳压电源的组成框图

电源转换过程中存在高频脉冲电压，会生成畸变的电流波形。非正弦周期信号可当作是正弦函数的基波与谐波的合成。因此，可以将设备的畸变电流波形分解为基波和谐波。

谐波的危害是多方面的。谐波不仅使电能的产生、传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘老化，缩短使用寿命，还能引起继电保护和自动装置误动作。在电力系统内部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。因此，抑制谐波是非常必要的[1]。

2 加固计算机的谐波抑制方法

2.1 常用谐波抑制方法

解决谐波污染的方法总结起来有两条：一条是增设谐波补偿装置来补偿谐波，这条对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这条只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

增设谐波补偿装置的方法是在原来的电源电路中增加功率因数校正(PFC)电路，或改变已有的PFC电路，使其满足测试标准要求。PFC一般分为两种类型，即主动式和被动式。

2.1.1主动式PFC

主动式PFC电路可以最大限度地提高功率因数，使其接近于1，这是目前较为理想的谐波电流解决方案。在主电源上串联另一个电源变换器，它强迫电源紧密跟随正弦型线电压获取电流。这样的开关电源电路必须使用二级开关电路控制，其中一级开关电路用来控制电流谐波，另一级开关电路用作电压调整。图3为其原理示意图。

图3 主动式PFC原理示意图

2.1.2被动式PFC

采用低频滤波电路(电抗器)可以降低谐波成分到标准限值以下，这种措施属于被动式PFC。电路仅仅由一个低频扼流圈组成，插入整流桥和滤波电容之间。其工作原理非常简单，低频扼流圈的电感和整流电容以及分布电容共同组成一个低频谐波电流滤波器。

2.1.3主被动PFC比较

相对于被动式PFC，主动式PFC输入电流有着更低的谐波含量，而且校正的功率因数可以达到0.99。对于较大功率的设备，主动式PFC往往具有更好的谐波抑制效果，同时可有效降低设备功率，节约成本。

对于使用开关电源的较低功率的设备，被动式PFC是一个比较好的抑制谐波的方法。这些较低功率的设备应用PFC的主要目的是防止对电网产生低频谐波干扰而不是仅仅提高功率因数。而在电源模块内部集成主动式PFC模块会造成电源整体功耗增加，散热问题变得更加突出，电源故障率升高。在这种情况下，使用被动式PFC是非常经济并且简单有效的解决方式[2]。

本文研究的目的就是使加固计算机能更好地通过CE101项目的要求，而且加固计算机是一种功率较小的设备(100W左右)，因此被动式PFC方法更加适合于加固计算机的谐波抑制。

2.2 基于储能方式的被动式PFC

在加固计算机的电源前接入储能器件，通过储能器件的作用，在电源电流不连续时，电网电流仍然有回路流通；在电流突变时，抑制其突变峰值，如图4所示，即在电网谐波抑制器中，串联的电抗器L1抑制输入电流的冲击、平缓电流尖峰、补偿负载电能需求；并联的LC谐振回路(设计谐振点为50Hz的3～11倍频)，可以使电流的奇次谐波分量从LC回路流回电网，维持电网电流连续；电抗器L1与LC谐振回路组合作用，将使电网电流波形尽量与正弦波近似。由于电网电流波形近似正弦，按照傅立叶变换公式，其奇次分量也将大大减小。

而后级L2，L3和C3，C4，C5组成的高次谐波滤波电路，又可以针对GJB151B—2013中CE102的干扰频段进行有效滤除。如此，通过与前级L1和C1，C2组成的低次谐波抑制电路的有机结合，将同时兼顾高、低次谐波抑制，以达到综合滤波目的。

图4 储能方式谐波抑制基本原理图

由于使用的元器件尺寸和质量均较大，基于储能方式研制的PFC电路往往难以集成于6U或者3U加固电源的内部，因此需要采用其他形式放置于机箱内部。由于现有加固计算机机箱的结构限制，独立的PFC电路往往在机箱内比较难找到合适的安装位置，只能作为通过电磁兼容试验的临时措施。针对这种情况，考虑到目前大多数加固计算机为“6U模块插入CPCI底板”的结构形式，在进行以电抗器为主要谐波抑制器件的储能式PFC电路模块(以下简称电抗器模块)的设计时，电抗器模块的外形和安装方式与加固电源保持相同，可安放在加固计算机原备用电源槽处，解决了传统电抗器无法安装在加固计算机内部的问题，这非常适合目前多数加固计算机的实际情况。电抗器模块本身在低频情况下功耗很小，价格低于军品级主动式PFC模块，因此电抗器模块对加固计算机功耗、电源转换效率和可靠性的影响要小得多，同时具有成本优势。

3 谐波抑制的试验验证

3.1 试验验证系统组成

受试系统由1台验证加固计算机、1套调试电缆和1套标准外设组成。机箱上前后面板设计有各对外连接器，机箱内设计有1个MPⅡ主板、1个CPCI功能模块、2个功率模块、1个电源模块。电抗器模块占用备用电源模块的位置。

验证用加固计算机中MPⅡ单板加固计算机模块功率不大于25W，功率模块不大于40W，PS5-34电源最大输出功率为160W，电源转换效率为80%。

电抗器模块电气特性：额定电压300V，额定电流1A，对于谐波的插入损耗大于5dB，6U结构形式。

谐波测量设备由两部分组成：精密电源单元与测量仪表单元。

要求电源部分能向被测设备提供良好的波形、负载能力和阻抗连续特性。国家军用标准(GJB151B—2013)军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量标准规定测量仪表单元必须是离散傅立叶变换(FFT)的时域测量仪器，能够连续、准确地同时测量全部各次谐波所涉及的幅值、相位角等参数。

采用以FFT为频谱分析原理的谐波测量仪。测量仪的前级为采样电路、模-数变化器，后级为FFT分析仪(利用PC机实现)。

3.2 试验结果

采用3.1所述的试验系统，进行GJB151B—2013中CE101试验项目。首先在不安装电抗器模块及功率模块的情况下，获得了试验曲线，如图5所示。从图中可以看到5次、7次、9次、11次谐波均有超标，其中11次谐波超标最大，达3 dB左右。然后在安装功率模块但不安装电抗器的情况下进行了试验，获得了图6所示的试验曲线图。从图中可以看道，3次～17次内的奇次谐波均超标，范围在0.2～4.0dB。通过以上两次试验说明了加固计算机负载越大，奇次谐波超标范围越广，幅度越大，6U模块电抗器内部电路各参数要根据负载功率的情况来具体确定。第三次试验中，加固计算机增加了电抗器模块，试验曲线表明所有谐波点均不超标，3次～19次谐波衰减达7～35dB，试验曲线图如图7所示。通过试验充分说明了电抗器模块可以非常有效地抑制加固计算机电源线低频传导发射。

图5 无负载无电抗器CE101试验曲线

图6 有负载无电抗器CE101试验曲线

4 结束语

采用传统的被动式功率因数校正电路，然后结合加固计算机自身的特点，研制成模块化、可快速装卸、配置灵活的适用于加固计算机的电抗器模块是本文最大的创新点。同时，本文通过试验验证了基于储能方式的被动式功率因数校正方法在加固计算机低频传导发射抑制方面的有效性，为加固计算机低频传导发射抑制提供了一种新的方法。

图7 有负载有电抗器CE101试验曲线