CN105099165B - 一种高压电源的emc防护和滤波装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电源的EMC防护和滤波装置及方法，解决现有设备在受到EMC干扰时，导致工业以太网交换机收发数据丢包的问题。本装置包括：第一防护模块、共模滤波模块、第二防护模块、电源转换模块和干扰噪声滤波模块；电源输入端依次连接第一防护模块、共模滤波模块、第二防护模块、电源转换模块和干扰噪声滤波模块；其中，第一防护模块和第二防护模块中的元件在共模滤波模块的前后等效组成双T型滤波器，提高共模滤波模块的输入阻尼，干扰噪声滤波模块中的元件组成T型滤波器、π型滤波器，减小直流输出的高频噪声和尖峰干扰，使得工业以太网交换机的交流供电入口在有高级别的EMC干扰时，设备收发数据零丢包，有效地提高了设备的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制设备中内部电源保护技术领域，尤其涉及一种高压电源的EMC防护和滤波装置及方法。
背景技术
EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。工业以太网交换机在实际工业现场应用中，当电力交流供电系统出现开关动作过程、继电器触点跳动或切换感性负载时产生的电源浪涌、脉冲群和间接感应雷等干扰的几率都很高，因此，工业以太网交换机对EMC环境要求比较苛刻。
现有技术中，在EMC环境比较苛刻的情况下，通常在供电电源输入端的火线和零线之间并联一个压敏电阻组成差模保护电路，来钳位差模干扰。电源输入端的火线和零线上各并联一个压敏电阻的一端，而两个压敏电阻的另一端连接在一起和陶瓷气体放电管组成Y型的共模保护电路，泄放共模干扰。然后加上一级或两级共模电感进行共模电感滤波，来进行EMC防护。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术EMC防护电路中，共模滤波器在有高频干扰时其特性受寄生参数的影响，主要的寄生参数是共模线圈的匝间电容，这些电容通常较小，是由于不同绕组间电压差异(伏/匝)引起的。在高频时，匝间电容对绕组具有旁路作用，造成流入绕组的高频交流电流增加。绕组电感与分布匝间电容形成谐振回路。它们发生谐振时的频率成为绕组自激振荡频率。在绕组自激振荡点上，电容作用大于电感，这样减弱EMC滤波器高频衰减特性。此时自激振荡对共模滤波器的影响是显而易见的。当达到自激振荡条件时，滤波器在自激振荡频率时的Q值太高，也就是共模滤波器阻尼因数变小，滤波器会以窄带震荡的形式产生干扰噪声，同时对EMC干扰抑制能力变差，即使采用钳位或开关型的器件泄放掉共模电感上的残压能量，也很难保证谐振回路阻尼提高到理想状态，导致高等级的EMC干扰施加到工业以太网交换机供电端口时，设备收发数据会出现丢包现象，甚至设备系统复位或通讯端口不能正常通信，使设备的可靠性较差，无法得到有效的保护。
发明内容
本发明实施例提供一种高压电源的EMC防护和滤波装置及方法，用以解决现有设备在受到EMC干扰时，导致工业以太网交换机收发数据丢包的问题。
本发明实施例提供一种高压电源的EMC防护和滤波装置，所述装置包括：
第一防护模块，用于对输入电路中的干扰进行阻尼滤波后输出；
共模滤波模块，用于滤波所述第一防护模块输出的干扰中的共模干扰；
第二防护模块，用于滤波所述共模滤波模块输出的干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对所述第二干扰中共模干扰进行泄放；
电源转换模块，用于将所述第二防护输出的交流电转换为直流电；
干扰噪声滤波模块，用于吸收滤波所述电源模块输出的直流电中的尖峰干扰噪声；
所述第一防护模块包括第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1；所述共模滤波模块包括共模电感LCM；所述第二防护模块包括第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4、第一Y电容CY1和第二Y电容CY2；
其中，所述第一差模电感LDM1串接在L线上，另一端与所述共模电感LCM的绕组连接，所述第二差模电感LDM2串接在N线上，另一端与所述共模电感LCM另一绕组连接；所述第一X电容C1位于所述第一差模电感LDM1和所述第二差模电感LDM2的后级，且位于所述共模电感LCM的前级，所述第一X电容C1一端与所述第一差模电感LDM1连接，另一端与所述第二差模电感LDM2连接；
所述第三差模电感LDM3串接所述共模电感LCM的一个绕组，另一端连接所述第一Y电容CY1，所述第四差模电感LDM4串接所述共模电感LCM的另一个绕组，另一端连接所述第二Y电容CY2，所述第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的另一端分别连接大地；
所述干扰噪声滤波模块包括第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3、第二X电容C2、第三X电容C3；其中，所述第一磁珠FB1串接正极线，另一端连接所述第二X电容C2，所述第三磁珠FB3串接负极线，另一端连接所述第二X电容C2的另一端；所述第二磁珠FB2位于所述第一磁珠FB1的后级，串接正极线，另一端连接所述第三X电容C3；所述第三X电容C3的另一端连接所述第三磁珠FB3。
本发明实施例提供一种高压电源的EMC防护和滤波方法，所述方法包括：
对输入电路中的干扰进行阻尼滤波，得到第一干扰；
对所述第一干扰中的共模干扰进行滤波，得到第二干扰；
对所述第二干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对所述第二干扰中共模干扰进行泄放，得到第三干扰；
将包含所述第三干扰的交流电转换为直流电，得到第四干扰；
对所述第四干扰中尖峰干扰噪声进行吸收滤波后输出。
本发明实施例提供的装置，通过在工业以太网交换机供电电源入口共模电感前后端增加双线差模电感、X电容、Y电容，分别在共模电感两端等效组成双T型滤波器，提高共模电感的阻尼因数，进一步遵循先防护后滤波的原则，在电源转换模块直流输出端增加T型滤波器和π型滤波器的组合滤波，减小直流输出的高频噪声和尖峰干扰，使得工业以太网交换机的交流供电入口在有高级别的EMC干扰时，设备收发数据零丢包，有效地提高了设备的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高压电源的EMC防护和滤波装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高压电源的EMC防护和滤波装置结构示意图；
图3为本发明实施例提供的雷击施加在L线或N线对地端时输入端的电压波形示意图；
图4为本发明实施例提供的雷击施加在L线或N线对地端时输出端的电压波形示意图；
图5为本发明实施例提供的脉冲群施加在L线或N线对地端时输入端的电压波形示意图；
图6为本发明实施例提供的脉冲群施加在L线或N线对地端时输出端的电压波形示意图；
图7为本发明实施例提供的雷击浪涌施加在L线和N线之间时输入端的电压波形示意图；
图8为本发明实施例提供的雷击浪涌施加在L线和N线之间时输出端的电压波形示意图；
图9为本发明实施例提供的电源转换模块直流输出进入滤波器之间的波形示意图；
图10为本发明实施例提供的电源转换模块直流输出进入滤波器之后的波形示意图；
图11为本发明实施例提供的一种高压电源的EMC防护和滤波方法流程图。
具体实施方式
本发明为了保证高等级干扰施加工业以太网交换机时，收发数据零丢包，提供了一种高压电源的EMC防护和滤波装置及方法。
下面结合说明书附图，对本发明进行详细说明。
图1是本发明实施例提供的高压电源的EMC防护和滤波装置的结构示意图。参见图1，该装置包括第一防护模块11、共模滤波模块12、第二防护模块13、电源转换模块14和干扰噪声滤波模块15。其中，
该第一防护模块11用于对输入电路中的干扰进行阻尼滤波后输出；该第一防护模块11与该共模滤波模块12连接，该共模滤波模块12用于滤波该第一防护模块输出的干扰中的共模干扰；该共模滤波模块12与该第二防护模块13连接，该第二防护模块13用于滤波该共模滤波模块输出的干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对该第二干扰中共模干扰进行泄放；该第二防护模块13与该电源转换模块14连接，该电源转换模块14用于将该第二防护输出的交流电转换为直流电；该电源转换模块14与该干扰噪声滤波模块15连接，该干扰噪声滤波模块15用于吸收滤波该电源模块输出的直流电中的尖峰干扰噪声。
在本发明实施例中，该第一防护模块11包括第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1；该共模滤波模块12包括共模电感LCM；该第二防护模块13包括第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4、第一Y电容CY1和第二Y电容CY2；
其中，该第一差模电感LDM1串接在L线上，另一端与该共模电感LCM的绕组连接，该第二差模电感LDM2串接在N线上，另一端与该共模电感LCM另一绕组连接；该第一X电容C1位于该第一差模电感LDM1和该第二差模电感LDM2的后级，且位于该共模电感LCM的前级，该第一X电容C1一端与该第一差模电感LDM1连接，另一端与该第二差模电感LDM2连接。
该第三差模电感LDM3串接该共模电感LCM的一个绕组，另一端连接该第一Y电容CY1，该第四差模电感LDM4串接该共模电感LCM的另一个绕组，另一端连接该第二Y电容CY2，该第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的另一端分别连接大地；
该干扰噪声滤波模块15包括第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3、第二X电容C2、第三X电容C3；其中，该第一磁珠FB1串接正极线，另一端连接该第二X电容C2，该第三磁珠FB3串接负极线，另一端连接该第二X电容C2的另一端；该第二磁珠FB2位于该第一磁珠FB1的后级，串接正极线，另一端连接该第三X电容C3；该第三X电容C3的另一端连接该第三磁珠FB3。
可选地，该第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2、第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4电感量的取值范围为18uH～390uH，其中，该第一差模电感LDM1和第二差模电感LDM2电感量取值相同，该第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4电感量的取值相同，该第一差模电感LDM1的电感量取值不小于该第三差模电感的电感量。
可选地，该共模电感LCM电感量的取值范围为330uH～27mH。
可选地，该第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3的取值范围为5Ω～100Ω/100MHz；该第二X电容C2和该第三X电容C3的取值范围为0.1uF～3.9uF。
在本发明实施例中，该第一磁珠FB1、第二磁珠FB2和第三磁珠FB3的取值可以相同。
可选地，该装置还包括：
第三防护模块，用于滤波输入电路中的差模干扰和共模干扰后输出至该第一防护模块；
该第三防护模块包括压敏电阻M1、第三Y电容CY3和第四Y电容CY4；
其中，该压敏电阻M1并联在电源的L线和N线之间，该压敏电阻M1位于该第三Y电容CY3和第四Y电容CY4的前级；该第三Y电容CY3和该第四Y电容CY4的一端分别连接该压敏电阻M1的两端，另一端分别连接大地。
可选地，该装置还包括：
低通滤波模块，用于滤波该干扰噪声滤波模块输出干扰中波纹噪声；
该低通波纹模块包括第五差模电感LDM5、电容组和瞬态抑制TVS管，该电容组包括至少一个电容；
其中，该第五差模电感LDM5的一端串接该第二磁珠FB2，另一端分别连接该电容组和该瞬态抑制TVS管。
可选地，该共模滤波模块还包括第二过压保护元件M2和第三过压保护元件M3；其中，该第二过压保护元件M2并联在该共模电感LCM的一个绕组两端，该第三过压保护元件M3并联在该共模电感LCM的另一绕组两端。
在本发明实施例中，该过压保护元件可以为压敏电阻，可以为放电管，也可以为其他钳位限压保护元件，本发明实施例不作具体限定。
本发明实施例提供的装置，通过在工业以太网交换机供电电源入口共模电感前后端增加双线差模电感、X电容、Y电容，分别在共模电感两端等效组成双T型滤波器，提高共模电感的阻尼因数，进一步遵循先防护后滤波的原则，在电源转换模块直流输出端增加T型滤波器和π型滤波器的组合滤波，减小直流输出的高频噪声和尖峰干扰，使得工业以太网交换机的交流供电入口在有高级别EMC干扰时，设备收发数据零丢包，有效地提高了设备的可靠性。
图2是本发明实施例提供的高压电源的EMC防护和滤波装置的结构示意图。参见图2，该装置包括：第三防护模块16、第一防护模块11、共模防护模块12、第二防护模块13、电源转换模块14、干扰噪声滤波模块15、低通滤波模块17。
该第三防护模块16用于滤波输入电路中的差模干扰和共模干扰后输出；该第三防护模块16与该第一防护模块11连接，该第一防护模块11用于对输入电路中的干扰进行阻尼滤波后输出；该第一防护模块11与该共模滤波模块12连接，该共模滤波模块12用于滤波该第一防护模块输出的干扰中的共模干扰；该共模滤波模块12与该第二防护模块13连接，该第二防护模块13用于滤波该共模滤波模块输出的干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对该第二干扰中共模干扰进行泄放；该第二防护模块13与该电源转换模块14连接该电源转换模块14用于将该第二防护输出的交流电转换为直流电；该电源转换模块14与该干扰噪声滤波模块15连接，该干扰噪声滤波模块15用于吸收滤波该电源模块输出的直流电中的尖峰干扰噪声；该干扰噪声滤波模块15与该低通滤波模块17连接，该低通滤波模块17用于滤波该干扰噪声滤波模块15输出干扰中波纹噪声。
该第三防护模块16包括压敏电阻M1、第三Y电容CY3和第四Y电容CY4；其中，该压敏电阻M1并联在电源的L线和N线之间，该压敏电阻M1位于该第三Y电容CY3和第四Y电容CY4的前级；该第三Y电容CY1和该第四Y电容CY4的一端分别连接该压敏电阻M1的两端，另一端分别连接大地。
在本发明实施例中，当干扰输入时，第三Y电容CY3和第四Y电容CY4将共模干扰泄放到大地，初步对电路中的干扰进行防护滤波。压敏电阻M1可以钳位差模干扰，降低差模干扰电压的峰值，减少对后级的干扰。
该第一防护模块11包括第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1。该第一差模电感LDM1串接在L线上，另一端与该该共模滤波模块12中共模电感LCM的绕组连接，该第二差模电感LDM2串接在N线上，另一端与该共模电感LCM另一绕组连接；该第一X电容C1位于该第一差模电感LDM1和该第二差模电感LDM2的后级，且位于该共模电感LCM的前级，该第一电容C1一端与该共模电感LCM的绕组连接，另一端与该共模电感LCM另一绕组连接。
为了提高工业以太网交换机对EMC的高防护等级抗干扰能力，从原理上来讲必须有效减少供电入口滤波器之后的干扰电压及干扰电流，也就是防止保护电路产生自激谐振或提高谐振回路的阻尼系数。
在本发明实施例中，该第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1、第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4等效组成双T型滤波器，对进入的差模干扰进行抑制电流尖波及滤波，使得共模电感LCM在干扰经过自身时不出现自激振荡，T型滤波器的优点是两端都是高阻抗，其插入损耗性能和π型滤波器相似，但它不会出现“自激振荡”(谐振或振铃)现象，不会出现电感瞬间接近饱和现象，提高了滤波回路的阻尼。
该共模滤波模块12包括共模电感LCM、第二压敏电阻M2和第三压敏电阻M3。其中，该共模电感LCM的一个绕组两端分别与该第一差模电感LCM1和第三差模电感LCM3串接，该共模电感LCM的另一个绕组两端分别与该第二差模电感LCM2和该第四差模电感LCM4串接；该第二压敏电阻M2并联在该共模电感LCM的一个绕组两端，该第三压敏电阻M3并联在该共模电感LCM的另一绕组两端。
在本发明实施例中，当干扰源电流进入该共模电感LCM的共模线圈时，两个线圈产生的磁通是相同方向的，有相互加强作用，每一线圈共模阻抗提高，共模电流大大减弱，实际减弱量取决于共模电感的阻抗，此时加入前后级的差模电感可以抑制电流上升率，提高共模电感LCM的输入阻抗，减少共模电感LCM出现震荡的时间。
该第二防护模块13包括第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4、第一Y电容CY1和第二Y电容CY2，该第三差模电感LDM3串接该共模电感LCM的一个绕组，另一端连接该第一Y电容CY1，该第四差模电感LDM4串接该共模电感LCM的另一个绕组，另一端连接该第二Y电容CY2，该第一Y电容CY1和第二Y电容CY2的另一端分别连接大地。
在本发明实施例中，该第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4对进入的电流尖波进行阻尼滤波，且该第一Y电容CY1和第二Y电容CY2进行泄放，提高共模电感的阻抗，以保证干扰电压被有效地钳位在电源输入允许的干扰范围内，使得EMC的组合滤波电路的阻尼得到有效的提高。
在本发明实施例中，第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1、第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4等效组成双T型滤波器，位于该共模电感的前后端。当干扰分别经过LDM1、LCM、LDM3、CY1和LDM2、LCM、LDM4、CY2时，由于差模电感有很好的抗饱和特性，它在高峰值电流下不会立即饱和，在极短时间内有一定阻抗，这样可以抑制干扰电流尖波。同时当干扰达到压敏电阻的动作电压时，并联在共模电感LCM两端的第二压敏电阻M2和第三压敏电阻M3开始将存储在共模电感两端的残压泄放掉，使得共模电感LCM在干扰经过自身时不出现自激振荡。
需要说明的是，本发明实施例仅以该共模电感两端并联压敏电阻为例进行说明，事实上，在本发明的另一实施例中，该共模电感两端也可以并联放电管，还可以并联其他的钳位限压保护元件，本发明实施例不作具体限定。
不同材料的磁芯，饱和特性不同，在本发明实施例中，该第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2、第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4是由外表带氧化层的铁粉制成，由于铁粉相互隔开，形成了大量分布的间隙，因此不易饱和。
可选地，在本发明实施例中，差模电感之间的取值关系可以为：该第一差模电感LDM1和该第二差模电感LDM2电感量取值相同，该第三差模电感LDM3和该第四差模电感LDM4电感量的取值相同。因干扰是从输入端施加，第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2，要有足够抑制电流尖波上升率的能力，才能达到实际需要的阻尼滤波效果。本发明实施例中该第一差模电感LDM1的电感量取值不小于该第三差模电感的电感量。优选地，该第一差模电感LDM1的电感量是该第三差模电感的电感量的1-2倍。
实际中，差模电感要防止自身饱和，差模电感取值不适合太大，因为差模电感取值偏大时，当干扰输入时会造成电感饱和，电感量减小，失去滤波和抑制电流上升率的作用，因此，差模电感应该选用抑制电流上升率的电感铁芯，能够很好的抑制电流尖波输入共模电感，确保共模电感在高峰值脉冲电流输入时不会出现自激震荡。
可选地，在本发明实施例中，差模电感的电感量取值范围为18uH～390uH。具体涉及方案详述如下：
在本发明实施例中，依据公式计算差模电感的电感值。其中，ζ是阻尼因子，RL是用电源输入阻抗，fc为希望得到的滤波器转折频率。因此，影响差模电感取值的因素包括ζ，RL，fc，下面分别对这三个影响因素的取值进行详述叙述：
(1)电源输入阻抗RL。由于安规规范中是用电源阻抗模拟网络(LISN)测试的，通常情况下RL取值为50Ω。
(2)转折频率fc。依据公式可以知道，影响转折频率的因素有fsw和Att。其中，fsw为电源的工作频率；Att是开关频率处所需衰减量的负dB值。
实际应用中，fsw取值范围为：40kHz～350kHz，而Att通常是设定值。一个理想的滤波器Att取值为-24dB。因此，依据公式计算得出转折频率fc的取值范围为10kHz～87.5kHz。
(3)阻抗因子ζ。差模滤波器应当比共模滤波器有一个更低的阻尼因子，因为如果采用较高的阻尼因子，整个滤波部分的复合阻尼响应将会变的太迟缓，在本发明实施例中，差模滤波器的阻尼因子取值范围为0.2～0.5。
依据公式以及上述(1)-(3)中差模电感取值的影响因素ζ，RL，fc的取值范围，可计算差模电感的取值范围为18.3uH～396.2uH，实际应用中差模电感量取值范围为18uH～390uH。当差模电感在18uH～390uH范围取值时，可以有效减小共模电感进入自激震荡的时间，使干扰得到了衰减。从而保证了设备在收发数据包时不丢包。如图3和图4所示的波形图，雷击施加在L线和N线之间时，经过LDM1、LDM2、C1、LDM3、LDM4对经过的干扰进行阻尼滤波后，EMC干扰减小到电源可允许的范围之内。
可选地，开关电源产生的噪声频谱通常10kHz～30MHz，针对于该频率本发明实施例中共模电感的电感量取值范围为330uH～27mH，可以保证电感阻抗够高，达到足够的衰减量。具体涉及方案详述如下：
在本发明实施例中，依据公式以及转折频率fc和C的取值范围，可以计算出Y电容的容量的取值范围。其中，fc的取值范围为10kHz～87.5kHz，而C的电容安规标准里要求是小于0.1uF。但电力工业以太网交换机标准里要求是漏电流小于10毫安，此时对应的Y电容容量为0.01uF，则Y电容的取值不大于0.01uF，则此时可计算共模电感的取值范围为330uH～25.3mH，实际应用中共模电感量取值范围为330uH～27mH。当共模电感在330uH～27mH范围取值时，共模电感加上前后级的差模电感可以抑制电流上升率，提高共模电感LCM的输入阻抗，减少共模电感LCM出现震荡的时间。如图5和图6所示波形图，当雷击浪涌施加在L线或N线对地端时，干扰电压经过共模电感滤波后，干扰电压尖峰得到一定比例的衰减。
该电源转换模块14包括AC/DC或DC/DC电源模块。
该干扰噪声滤波模块15包括第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3、第二X电容C2、第三X电容C3、第四X电容C4；其中，该第四X电容C4并联在正极线与负极线之间，一端连接该第一磁珠FB1，另一端连接该第三磁珠FB3；该第一磁珠FB1串接正极线，另一端连接该第二X电容C2，该第三磁珠FB3串接负极线，另一端连接该第二X电容C2的另一端；该第二磁珠FB2位于该第一磁珠FB1的后级，串接正极线，另一端连接该第三X电容C3的一端；该第三X电容C3的另一端连接该第三磁珠FB3。
其中，该第四X电容C4为高频滤波电容，可以是电源内部集成的，也可以是外加的；该第三X电容C3可以是穿心电容，穿心电容自电感较普通电容小得多，故而自谐振频率很高。同时，穿心式设计，也有效地防止了高频信号从输入端直接耦合到输出端。这种低通高阻的组合，在1GHz频率范围内，提供了极好的抑制效果。
干扰噪声是叠加在直流传输电平上的交流成分，直流成分是有用的，而干扰噪声能量却是无用的电磁干扰。要消除这些不需要的信号能量，本发明实施例采用“干扰噪声滤波模块”扮演高频电阻的角色(衰减器)，该器件允许直流通过，而滤除交流信号。在本发明实施例中，该第四X电容C4、第二X电容C2和第三磁珠FB3，组成π型滤波器，第一磁珠FB1、第二X电容C2、第二磁珠FB2组成T型滤波，第三X电容C3与T型滤波和π型滤波组合成复合滤波电路，对直流输出进行有效的高频噪声和尖峰干扰滤波。
直流传输线上的磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化，磁珠比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。
在本发明实施例中，依据公式计算X电容的容量。其中，fFT是干扰噪声滤波器的转折频率，LB是磁珠的电感量。因此，影响X电容取值的因素包括fFT和LB。下面分别对这两个影响因素的取值进行详细叙述：
(i)干扰噪声滤波器的转折频率fFT。在本发明实施例中，fFT的取值可以为1MHz；
(ii)磁珠的电感量LB。根据频率阻抗特性曲线图磁珠规格选用5Ω～100Ω/100MHz，依据公式XL＝2πfcLB，其中，XL是磁珠的感抗，fc是磁珠的转折频率，fc的取值范围为3MHz～300MHz，可以计算出磁珠电感LB的取值范围为0.008uH～0.159uH。
依据公式以及上述(i)和(ii)中X电容的影响因素fFT和LB的取值范围，可计算出X电容的容量的取值范围为0.159uF～3.169uF，实际应用中X电容的容量取值为0.1uF～3.9uF。当高频噪声和尖峰干扰叠加在直流输出端时，经过吸收型的干扰噪声滤波电路后，将干扰有效衰减到设备内部交换芯片可承受的范围之内，使设备在受到EMC干扰时收发数据不会出现丢包现象。
需要说明的是，本发明实施例仅以该干扰噪声滤波模块15包括第四X电容C4为例进行说明，使得直流输出干扰减小到交换芯片收发数据不丢包，事实上，在本发明的另一实施例中，该干扰噪声滤波模块15也可以不包括该第四电容，该干扰噪声滤波模块15仅包括第一磁珠FB1、第二X电容C2、第二磁珠FB2、第三X电容C3、第三磁珠FB3也可以达到滤除干扰噪声的目的，本发明实施例不作具体限定。
该低通滤波模块17包括第五差模电感LDM5、第五X电容C5、第六X电容C6和瞬态抑制TVS管。其中，该第五差模电感LDM5串接该第二磁珠FB2的一端，另一端分别连接该第五X电容C5、第六X电容C6和瞬态抑制TVS管。
在本发明实施例中，该低通滤波模块17配合干扰噪声滤波模块可以减小直流输出的纹波噪声。
需要说明的是，本发明实施例仅以电容组包括两个电容为例进行说明，事实上，在本发明的另一实施例中，该电容组还可以包括一个电容、三个电容，或三个以上电容，本发明实施例不作具体限定。
在本发明实施例中，当EMC干扰施加在L线或N线对地端时，入口处第三Y电容CY3和第四Y电容CY4先进性泄放防护，第一差模电感LDM1和第二差模电感LDM2对干扰电压或电流进行阻尼滤波，进入共模电感LCM上的干扰达到压敏电阻的动作电压时，并联在共模电感LCM两端的压敏电阻开始泄放干扰，减少共模电感自激震荡的时间，然后在经过第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4、第一Y电容CY1、第二Y电容CY2进行阻尼滤波后，防护电路输出的端的干扰电压或干扰电流被有效地钳制在电源输入允许的干扰范围内，EMC的组合滤波电路的阻尼得到有效的提高。如图7和图8所示的波形图，当脉冲群施加在L线或N线对地端时，LDM1、LDM2、LDM3、LDM4、CY1、CY2对经过的干扰进行阻尼滤波后，防护电路输出的端的干扰电压或干扰电流被有效地钳制在电源输入允许的干扰范围内。
在本发明实施例中，当EMC干扰施加在L线和N线之间时，入口处的压敏电阻M1首先进行第一级的防护，第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2、第一X电容C1、第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4进行第二级滤波防护，因为共模电感对差模干扰是起不到有效的防护作用的，这时第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2、第一X电容C1、第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4等效的组成了双T型滤波器，干扰电压或电流经过了双T型滤波器的有效阻尼滤波后，干扰减小到电源允许范围。
在本发明实施例中，当EMC干扰施加输入端时，在电源低压直流输出端的第四X电容C4、第二X电容C2和第三磁珠FB3，组成π型滤波器，第一磁珠FB1、第二X电容C2、第二磁珠FB2组成T型滤波，第三X电容C3与T型滤波和π型滤波组合成复合滤波电路，对电源转换模块的直流输出进行尖峰噪声干扰吸收，如图9、图10所示波形图，增加的T型滤波器和π型滤波器对电源直流输出进行滤波，使直流输出“干净”的直流电。
遵循先防护后滤波的原则后，须在电源模块直流输出端增加吸收型的噪声滤波电路，进行高频噪声和尖峰干扰吸收滤波，将干扰有效减小到设备受到EMC干扰时收发数据不丢包状态。
本发明实施例提供的装置，通过在工业以太网交换机供电电源入口共模电感前后端增加双线差模电感、X电容、Y电容，分别在共模电感两端等效组成双T型滤波器，提高共模电感的阻尼因数，进一步遵循先防护后滤波的原则，在电源转换模块直流输出端增加T型滤波器和π型滤波器的组合滤波，减小直流输出的高频噪声和尖峰干扰，使得工业以太网交换机的交流供电入口在有高级别的EMC干扰时，设备收发数据零丢包，有效地提高了设备的可靠性。
图11是本发明实施例提供的高压电源的EMC防护和直流滤波的方法。参见图11，该方法包括：
1101、对输入电路中的干扰进行阻尼滤波，得到第一干扰；
1102、对该第一干扰中的共模干扰进行滤波，得到第二干扰；
1103、对该第二干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对该第二干扰中共模干扰进行泄放，得到第三干扰；
1104、将包含该第三干扰的交流电转换为直流电，得到第四干扰；
1105、对该第四干扰中尖峰干扰噪声进行吸收滤波后输出。
可选地，对电路中的干扰进行阻尼滤波，得到第一干扰之前，该方法还包括：
对电路中的差模干扰进行钳位，对共模干扰进行泄放。
可选地，对该第四干扰中尖峰干扰噪声进行干扰噪声吸收滤波后输出之后，该方法还包括：
对该第四干扰中纹波噪声进行滤波。
本发明实施例提供的方法，通过在工业以太网交换机供电电源入口共模电感前后端增加双线差模电感、X电容、Y电容，分别在共模电感两端等效组成双T型滤波器，提高共模电感的阻尼因数，进一步遵循先防护后滤波的原则，在电源转换模块直流输出端增加T型滤波器和π型滤波器的组合滤波，减小直流输出的高频噪声和尖峰干扰，使得工业以太网交换机的交流供电入口在有高级别的EMC干扰时，设备收发数据零丢包，有效地提高了设备的可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种高压电源的EMC防护和滤波装置，其特征在于，所述装置包括：
第一防护模块，用于对输入电路中的干扰进行阻尼滤波后输出；
共模滤波模块，用于滤波所述第一防护模块输出的干扰中的共模干扰；
第二防护模块，用于对所述共模滤波模块输出的干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对所述共模滤波模块输出的干扰中共模干扰进行泄放；
电源转换模块，用于将所述第二防护模块输出的交流电转换为直流电；
干扰噪声滤波模块，用于吸收滤波所述电源转换模块输出的直流电中的尖峰干扰噪声；
所述第一防护模块包括第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2和第一X电容C1；所述共模滤波模块包括共模电感LCM；所述第二防护模块包括第三差模电感LDM3、第四差模电感LDM4、第一Y电容CY1和第二Y电容CY2；
其中，所述第一差模电感LDM1的一端串接在L线上，另一端与所述共模电感LCM的一个绕组的一端连接，所述第二差模电感LDM2的一端串接在N线上，另一端与所述共模电感LCM另一绕组的一端连接；所述第一X电容C1位于所述第一差模电感LDM1和所述第二差模电感LDM2的后级，且位于所述共模电感LCM的前级，所述第一X电容C1一端与所述第一差模电感LDM1的另一端连接，另一端与所述第二差模电感LDM2的另一端连接；
所述第三差模电感LDM3的一端串接所述共模电感LCM的一个绕组的另一端，另一端连接所述第一Y电容CY1的一端，所述第四差模电感LDM4的一端串接所述共模电感LCM的另一个绕组的另一端，另一端连接所述第二Y电容CY2的一端，所述第一Y电容CY1的另一端和第二Y电容CY2的另一端分别连接大地；
所述干扰噪声滤波模块包括第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3、第二X电容C2、第三X电容C3；其中，所述第一磁珠FB1的一端串接正极线，另一端连接所述第二X电容C2的一端，所述第三磁珠FB3的一端串接负极线，另一端连接所述第二X电容C2的另一端；所述第二磁珠FB2位于所述第一磁珠FB1的后级，所述第二磁珠FB2的一端串接正极线，另一端连接所述第三X电容C3的一端；所述第三X电容C3的另一端连接所述第三磁珠FB3的另一端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一差模电感LDM1、第二差模电感LDM2、第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4电感量的取值范围为18uH～390uH，其中，所述第一差模电感LDM1和第二差模电感LDM2电感量取值相同，所述第三差模电感LDM3和第四差模电感LDM4电感量的取值相同，所述第一差模电感LDM1的电感量取值不小于所述第三差模电感的电感量。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述共模电感LCM电感量的取值范围为330uH～27mH。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一磁珠FB1、第二磁珠FB2、第三磁珠FB3的取值范围为5Ω～100Ω/100MHz；所述第二X电容C2和所述第三X电容C3的取值范围为0.1uF～3.9uF。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第三防护模块，用于滤波输入电路中的差模干扰和共模干扰后输出至所述第一防护模块；
所述第三防护模块包括压敏电阻M1、第三Y电容CY3和第四Y电容CY4；
其中，所述压敏电阻M1并联在电源的L线和N线之间，所述压敏电阻M1位于所述第三Y电容CY3和第四Y电容CY4的前级；所述第三Y电容CY3和所述第四Y电容CY4的一端分别连接所述压敏电阻M1的两端，另一端分别连接大地。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
低通滤波模块，用于滤波所述干扰噪声滤波模块输出干扰中波纹噪声；
所述低通滤波模块包括第五差模电感LDM5、电容组和瞬态抑制TVS管，所述电容组包括至少一个电容；
其中，所述第五差模电感LDM5的一端串接所述第二磁珠FB2的另一端，另一端分别连接所述电容组和所述瞬态抑制TVS管。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述共模滤波模块还包括第二过压保护元件M2和第三过压保护元件M3；其中，所述第二过压保护元件M2并联在所述共模电感LCM的一个绕组两端，所述第三过压保护元件M3并联在所述共模电感LCM的另一绕组两端。
8.一种高压电源的EMC防护和滤波方法，其特征在于，所述方法包括：
对输入电路中的干扰进行阻尼滤波，得到第一干扰；
对所述第一干扰中的共模干扰进行滤波，得到第二干扰；
对所述第二干扰中差模干扰进行阻尼滤波，对所述第二干扰中共模干扰进行泄放，得到第三干扰；
将包含所述第三干扰的交流电转换为直流电，得到第四干扰；对所述第四干扰中尖峰干扰噪声进行吸收滤波后输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对电路中的干扰进行阻尼滤波，得到第一干扰之前，所述方法还包括：
对电路中的差模干扰进行钳位，对共模干扰进行泄放。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述第四干扰中尖峰干扰噪声进行干扰噪声吸收滤波后输出之后，所述方法还包括：
对所述第四干扰中纹波噪声进行滤波。
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