ZPW-2000A發(fā)送器電源口浪涌設(shè)計(jì)方案

李云川 賈敏捷

（沈陽鐵路信號(hào)有限公司，沈陽 110025）

當(dāng)前，鐵路建設(shè)快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸向著更快速、更高效、更安全的方向發(fā)展。現(xiàn)在國內(nèi)鐵路區(qū)間主要采用ZPW—2000A無絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，該系統(tǒng)由北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要包括室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備，其中發(fā)送器屬于室內(nèi)設(shè)備，它在系統(tǒng)中產(chǎn)生18種低頻、8種載頻的高精度、高穩(wěn)定的移頻信號(hào)源，屬于直接影響鐵路行車安全的信號(hào)設(shè)備。發(fā)送器內(nèi)部由數(shù)字電路和模擬電路組成，它們耐沖擊小，易損害，而發(fā)送器工作的DC 24 V電源又是由外部電源屏提供，也是浪涌通過傳導(dǎo)方式進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的一個(gè)主要通道。為了阻止浪涌從電源口進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部對電路形成危害，必須在電源口采取防護(hù)措施。由于受發(fā)送器體積影響，需采用最直接、最簡單的浪涌抑制器件來進(jìn)行防護(hù)。

1 主要浪涌抑制器件

目前主要使用的抑制浪涌器件有氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管和半導(dǎo)體放電管[1]。

1.1 氣體放電管

優(yōu)點(diǎn)：電流通容量大（上千安）；寄生電容最小，通常在2～10 pF；導(dǎo)通時(shí)殘余電壓低，約10～35 V。

缺點(diǎn)：標(biāo)稱電壓范圍75～1 000 V，檔位稀疏，離散性大；響應(yīng)時(shí)間較慢，為80 ns左右,不能單獨(dú)用于保護(hù)敏感電子器件；有續(xù)流問題，在直流及交流系統(tǒng)中使用時(shí)需注意克服后續(xù)電流有害影響。

1.2 壓敏電阻

優(yōu)點(diǎn)：電流通容量大（上千安）；標(biāo)稱電壓范圍在11～1 800 V，其間檔次較多；響應(yīng)時(shí)間快，為25 ns左右；無續(xù)流問題。

缺點(diǎn)：容易老化，動(dòng)作次數(shù)多后,漏電流會(huì)增大,從而導(dǎo)致壓敏電阻過熱,最終導(dǎo)致老化失效；寄生電容較大，其值在幾百pF至幾千pF之間,不利于對高頻電子電路的保護(hù)。

1.3 硅瞬變電壓吸收二極管

優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間最快，可達(dá)ps級(jí)；標(biāo)稱電壓范圍在3～495 V，其間檔次極多，適合做最后一級(jí)精密保護(hù)；無續(xù)流問題。

缺點(diǎn)：通流量?。患纳娙葺^大，其值在幾百pF至幾千pF之間，不利于對高頻電子線路的保護(hù)。

1.4 半導(dǎo)體放電管

優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快,可達(dá)ns級(jí)；標(biāo)稱電壓范圍5～550 V，其間檔次極多，且導(dǎo)通時(shí)殘壓低（3～5 V），適合做最后一級(jí)精密保護(hù)；寄生電容較小，通常在幾十pF；功耗極低,可無限重復(fù)使用,基本不會(huì)老化。

缺點(diǎn)：通流量一般；有續(xù)流問題。

綜上所述，不同的抑制器件有不同的特性，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。有時(shí)在實(shí)際中采用一種器件很難起到所要的效果，這時(shí)可以把幾種器件組合起來使用，比如吸收能力大而響應(yīng)時(shí)間慢的（如氣體放電管）做一級(jí)粗保護(hù)，而速度快、限壓精度高的（如硅瞬變電壓吸收二極管和半導(dǎo)體放電管）做后級(jí)保護(hù)，這樣能起到更好的保護(hù)作用；有時(shí)也可以采用濾波器和鐵氧體磁芯來作為后級(jí)電路的保護(hù)。

2 電源口浪涌（沖擊）抗擾度設(shè)計(jì)方案

結(jié)合發(fā)送器實(shí)際電路和各浪涌抑制器件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，最終選擇壓敏電阻作為一級(jí)防護(hù)，在數(shù)字電路前再用一個(gè)濾波器作為數(shù)字電路的二級(jí)防護(hù)。電路如圖1所示。

2.1 一級(jí)防護(hù)

圖1中壓敏電阻FR1、FR2、 FR3選擇的是某國外公司的S20K30型壓敏電阻，該壓敏電阻的直流最大連續(xù)工作電壓為38 V，標(biāo)稱電壓為47 V，最大限制電壓為93 V，8/20 us波形時(shí)的通流為2 000 A，選擇該型號(hào)壓敏電阻依據(jù)原則如下[1]。

1)交流回路中，壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)為交流額定電壓（有效值）的2.2～2.5倍。

2）直流回路中，壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)為直流額定電壓的1.8～2倍。

3)最大連續(xù)工作電壓應(yīng)大于設(shè)備的額定工作電壓。

4)最大限制電壓應(yīng)小于后級(jí)保護(hù)設(shè)備耐壓水平，否則達(dá)不到保護(hù)作用。

發(fā)送器工作電壓為DC 23～25 V，后級(jí)保護(hù)電路中模擬電路里的大功率管V30、V18的VCE0、VCB0均為120 V,濾波器橫向耐壓220 V,縱向耐壓2 500 V,電源模塊縱向耐壓≥1 000 V，橫向耐壓100 V，按照壓敏電阻選擇原則，所選壓敏電阻最大直流連續(xù)工作電壓應(yīng)大于發(fā)送器的最大直流工作電壓25 V, 標(biāo)稱電壓值應(yīng)大于1.8×25=45 V,最大限制電壓應(yīng)小于后級(jí)保護(hù)電路中耐壓水平最低的100 V(電源模塊橫向耐壓值)，S20K30型壓敏電阻正好滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

2.2 二級(jí)防護(hù)

經(jīng)上述分析，一級(jí)防護(hù)已能對后級(jí)電路進(jìn)行完全保護(hù)，之所以還要在數(shù)字電路前再增加一個(gè)濾波器作為二級(jí)防護(hù)，是因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)備電源口的電磁兼容除了浪涌外，還包括電快速脈沖群、傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射等。壓敏電阻僅在浪涌上起關(guān)鍵作用，在其他電磁兼容方面起作用很小，甚至不起作用。而數(shù)字電路中有大量的集成電路和時(shí)鐘電路，它們都是易受電快速脈沖群干擾的器件，同時(shí)也是產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾及輻射發(fā)射的主要來源，濾波器正是防護(hù)電快速脈沖群、傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射的重要器件[2]，它在防浪涌中也起一定作用，經(jīng)壓敏電阻后的殘壓浪涌進(jìn)行再次衰減，減小對后級(jí)數(shù)字電路的沖擊。

濾波器在其他電磁兼容方面工作原理不再分析，這里主要分析它的防浪涌原理。

圖2是所選擇的濾波器的電路原理圖，圖中C1、C2、C3、C6是差模電容，C4、C5、C7、C8是共模電容，L1、L2是差模電感，L3、L4是共模電感。

縱向：以P對地的縱向分析為例，P對地有共模干擾時(shí)，濾波器里的L1、L3的上半線圈及C4構(gòu)成I級(jí)防護(hù)，因?yàn)長3是共模電感，對共模干擾信號(hào)呈現(xiàn)高阻，對共模干擾信號(hào)進(jìn)行一次衰減；同理，L4上半線圈和C7構(gòu)成Ⅱ級(jí)防護(hù)，共模電感L4對共模干擾信號(hào)進(jìn)行二次衰減。

橫向：P對N有差模干擾時(shí)，濾波器里的L1、C2、L2構(gòu)成I級(jí)防護(hù)，因?yàn)長1、L2是差模電感，對差模干擾呈現(xiàn)高阻，對差模干擾信號(hào)進(jìn)行一次衰減；雖然L3是共模電感，但其存在一定漏感，所以L3和C3構(gòu)成II級(jí)防護(hù)，L3的漏感對差模干擾信號(hào)呈現(xiàn)一定阻抗而對差模干擾信號(hào)二次衰減；同理，L4和C6構(gòu)成III級(jí)防護(hù), L4的漏感對差模干擾信號(hào)三次衰減。

3 試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 24338.5-2009 軌道交通電磁兼容第4部分：信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾度中《電源端口抗擾度試驗(yàn)》在發(fā)送器電源口施加1.2/50 us不同幅值的雷電波來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

如表1所示進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容

3.2 波形采樣

因?yàn)楹蠹?jí)防護(hù)電路中的縱向耐壓值都比較高，橫向耐壓值相對較低，所以，只采集橫向試驗(yàn)時(shí)圖1中1-2、4-5雷電波形，如圖3、圖4所示。

由采集波形可見，在電源口+24 V、024 V間施加1.2/50 us 1 000 V雷電波時(shí)，經(jīng)FR3壓敏電阻后衰減為45.4 V,經(jīng)過濾波器二次衰減后變?yōu)?3.6 V，這兩個(gè)值均小于后級(jí)電路保護(hù)水平。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)送器在整個(gè)試驗(yàn)過程中工作正常，無異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)的電源口浪涌防護(hù)方案完全滿足要求，目前，發(fā)送器已在現(xiàn)場大量使用，其運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 錢振宇.3C認(rèn)證中的電磁兼容測試與對策[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.