雷電電磁脈沖下電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)

馬世川 王亞杰 蔣 丹 謝 斌

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)電子器件越來越復(fù)雜，也越來越容易受到強(qiáng)電磁環(huán)境的干擾，導(dǎo)致電子系統(tǒng)癱瘓。對(duì)于一般的電子設(shè)備而言，通常由金屬外殼屏蔽掉外界強(qiáng)電磁脈沖，但電子設(shè)備不會(huì)被金屬外殼完全包圍，電源線、信號(hào)線等線纜會(huì)穿過金屬外殼與其他設(shè)備相連，暴露在外的線纜在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生耦合電壓/電流，耦合電壓/電流沿著線纜進(jìn)入到電子設(shè)備內(nèi)部電子電路上，對(duì)電子設(shè)備造成毀傷。

雷電是自然界中最常見的放電現(xiàn)象，雷電電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)的毀傷效應(yīng)分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩種，直接效應(yīng)是雷電直接作用于電子系統(tǒng)，間接效應(yīng)是通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等間接作用于電子系統(tǒng)。對(duì)于一般的電子設(shè)備而言，大都因雷電的間接效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)造成干擾或毀傷。由于雷電電磁脈沖頻帶很寬，且大部分能量都集中在低頻段，因此對(duì)于普通的屏蔽材料仍然有很強(qiáng)的穿透力，通常情況下，雷電電磁脈沖通過線纜耦合進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的干擾或毀傷更嚴(yán)重。

本文主要設(shè)計(jì)了電源防護(hù)電路，加裝在電源前端，當(dāng)雷電電磁脈沖耦合到電源線上時(shí)，防護(hù)電路迅速作用，對(duì)形成的過電壓、過電流進(jìn)行泄漏，保護(hù)電源系統(tǒng)不受干擾或毀傷。由于雷電電磁脈沖大部分能量處于低頻段，與電源工作頻率相近，故在防護(hù)電路上加了濾波電路，并焊接電路進(jìn)行了測試。

1 電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)28 V直流電源模塊進(jìn)行雷電電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)，主要目的是保護(hù)電源模塊在雷電電磁脈沖環(huán)境下能正常工作，不受干擾或毀傷。

由于電源線是直接暴露在強(qiáng)電磁環(huán)境下的，雷電電磁脈沖可通過耦合到電源線上的耦合電壓/電流對(duì)電源器件作用，對(duì)其造成毀傷效應(yīng)，因此需要設(shè)計(jì)瞬態(tài)抑制電路對(duì)耦合到電源線上的能量進(jìn)行泄放。另外，雷電電磁脈沖主要處于低頻段，與電源工作頻段相接近，因此需通過濾波器來抑制雷電電磁脈沖的干擾。最后在濾波器末端增加二級(jí)防護(hù)，對(duì)殘余電壓進(jìn)一步限制，以達(dá)到保護(hù)電源的目的。電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)框圖

1.1 防護(hù)電路

雷電電磁脈沖防護(hù)電路主要是由瞬態(tài)器件搭建而成，瞬態(tài)器件包括氣體放電管(GDT)、壓敏電阻(MOV)、瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、半導(dǎo)體放電管(TSS)等。

氣體放電管是最早的電路保護(hù)元器件，在防雷保護(hù)設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，其原理是利用氣體電離形成負(fù)阻效應(yīng)，當(dāng)外加電壓增加到某一值時(shí)，放電管兩極被擊穿，發(fā)生氣體放電，屬于開關(guān)型器件，其伏安特性曲線如圖2所示。氣體放電管的主要性能參數(shù)有：直流擊穿電壓、脈沖擊穿電壓、響應(yīng)時(shí)間、耐受電流、極間電容等。氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)在于過電流大，可達(dá)到幾十kA，且極間電容小，一般不大于10 pF，但其響應(yīng)速度慢(μs級(jí))，殘壓高，因此適合于初級(jí)防雷保護(hù)，用于形成能量泄放通道。

圖2 氣體放電管的伏安特性曲線

瞬態(tài)抑制二極管簡稱為TVS管，其伏安特性曲線如圖3所示，當(dāng)浪涌電壓沖擊時(shí)，TVS兩極間的電壓由額定反向電壓上升到，隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達(dá)到峰值，同時(shí)其兩端的電壓被限制在最大箝位電壓以下，隨著脈沖電流的衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最終恢復(fù)到常態(tài)。因此在選用TVS管時(shí)，其額定反向電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的工作電壓，而最大箝位電壓應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。TVS管的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)時(shí)間快(ps級(jí))，箝位電壓低，但通流容量小，適用于浪涌電流不是很大的電路，作為比較精準(zhǔn)的過電壓保護(hù)。

圖3 TVS管伏安特性曲線

從上述比較可以看出，為了兼顧雷電防護(hù)泄放能量高、殘壓低的需求，單獨(dú)一種瞬態(tài)器件不足以保護(hù)電路，在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)選取兩到三種瞬態(tài)器件構(gòu)成防護(hù)電路。綜合雷電電磁脈沖的幅值、脈寬、上升時(shí)間等因素，本文采用氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管兩種瞬態(tài)器件組合作為第一級(jí)防護(hù)電路，選取更小箝位電壓的瞬態(tài)抑制二極管作為第二級(jí)防護(hù)電路。防護(hù)電路圖如圖4所示。

圖4 防護(hù)電路圖

1.2 濾波電路

電源濾波器實(shí)際上是一種低通濾波器，它能夠毫無衰減地把直流、50 Hz或低頻電源功率傳送給用電設(shè)備，卻大大衰減經(jīng)電源線傳入的干擾信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受危害。電源線上的干擾分為共模干擾和差模干擾兩類，共模干擾是指電源線與參考地之間的電位差，差模干擾是指電源相線—中線中的電位差。

共模干擾信號(hào)采用共模濾波器，等效電路如圖5所示。共模濾波器的衰減在低頻主要由電感器產(chǎn)生，而在高頻大部分由電容器實(shí)現(xiàn)。由于存在高源阻抗，所以在濾除共模干擾過程中，應(yīng)采用大電容的電容。

圖5 共模濾波電路

差模干擾信號(hào)采用差模濾波器，等效電路如圖6所示。電感器對(duì)差模干擾產(chǎn)生衰減，并聯(lián)電容器旁路差模干擾電流并防止它們到達(dá)負(fù)載。

圖6 差模濾波電路

實(shí)際上，電源線上一般同時(shí)存在共模干擾和差模干擾，因此實(shí)際上的電源濾波器是由共模濾波器和差模濾波器組合構(gòu)成的濾波器。當(dāng)雷電電磁脈沖耦合到電源線上時(shí)，首先通過第一級(jí)瞬態(tài)防護(hù)電路對(duì)過電壓進(jìn)行抑制，降低雷電電磁脈沖過電壓的幅值，旁路掉雷電電磁脈沖的一部分能量，這樣確保進(jìn)入濾波電路的干擾信號(hào)能夠正常衰減，不至于損壞濾波器件，濾波電路對(duì)雷電電磁脈沖進(jìn)一步濾波衰減，最后進(jìn)入第二級(jí)防護(hù)電路，將雷電電磁脈沖衰減到電源工作電壓，保護(hù)電源電路正常工作。雷電電磁脈沖下電源防護(hù)電路圖如圖7所示。

1.3 防護(hù)電路器件選擇方法

在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)電磁脈沖特性、防護(hù)器件的技術(shù)參數(shù)、被防護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)來選擇瞬態(tài)抑制器件，可參照以下幾個(gè)原則：

1)根據(jù)電磁脈沖源的上升沿確定瞬態(tài)抑制器的響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)脈沖源的幅值及脈寬確定瞬態(tài)抑制器的通流量。

2)根據(jù)被防護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)，確定其對(duì)干擾的敏感程度。

3)根據(jù)被防護(hù)電路的工作電壓確定所選瞬態(tài)抑制器的箝位電壓，可以考慮組合使用防護(hù)器件。

下面以TVS為例簡要介紹參數(shù)選擇計(jì)算方法。

首先由脈沖源的電壓、電流峰值計(jì)算出輸入端阻抗為

(1)

其中，為輸入阻抗，、為注入電壓、電流峰值。設(shè)要求箝位電壓為，則TVS的脈沖峰值電流為

(2)

圖7 電源防護(hù)電路

其峰值功率為峰值電流與箝位電壓的乘積。一般而言，TVS管在強(qiáng)電磁脈沖作用下的實(shí)際箝位電壓并不等于標(biāo)稱箝位電壓，而是與流過TVS管的峰值電流相關(guān)。

(3)

其中，為實(shí)際箝位電壓；為流過電流；為最大峰值脈沖電流；max為最大箝位電壓；為擊穿電壓上限值。

對(duì)于濾波器而言，主要性能指標(biāo)是插入損耗，由式(4)表示為

(4)

其中，表示插入損耗；表示信號(hào)源與負(fù)載阻抗之間沒有接入濾波器時(shí)，負(fù)載阻抗上產(chǎn)生的電壓；表示信號(hào)源與負(fù)載阻抗之間接入濾波器時(shí)，在同一負(fù)載阻抗上產(chǎn)生的電壓。

濾波器接入前、后的電路如圖8所示，由圖8(a)可得

(5)

對(duì)于圖8(b)，采用參數(shù)表示濾波器網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)矩陣為式(6)所示。

圖8 濾波器接入前、后圖

(6)

圖8(b)網(wǎng)絡(luò)的傳輸方程為

護(hù)理結(jié)束后，觀察組患者的護(hù)理總有效率為臨96.43%，而對(duì)照組護(hù)理總有效率為64.29%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（x2=4.141，P＜0.05），組間差異明顯，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。見表1。

(7)

且

(8)

聯(lián)立式(7)和式(8)可得

(9)

將式(9)和式(5)代入式(4)可得

(10)

設(shè)某個(gè)頻點(diǎn)處要求達(dá)到的插入損耗為，濾波器的衰減倍數(shù)為，則截止頻率為

(11)

2 電源防護(hù)電路試驗(yàn)測試

按圖7所示電路圖焊接了實(shí)際電路，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RTCA DO-160G規(guī)定進(jìn)行了試驗(yàn)測試。標(biāo)準(zhǔn)RTCA DO-160G雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)規(guī)定，被試設(shè)備應(yīng)滿足針腳注入試驗(yàn)中波形4和5A的等級(jí)3、4波形參數(shù)要求，具體如表1所示。

表1 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)等級(jí)要求

其中，波形4和5A均按照線對(duì)地注入試驗(yàn)進(jìn)行，因雷電試驗(yàn)屬于損壞性試驗(yàn)，故先進(jìn)行等級(jí)3注入試驗(yàn)，確保樣品正常后再進(jìn)行等級(jí)4注入試驗(yàn)。波形4和5A波形參數(shù)分別如圖9、圖10所示。

圖9 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)波形4

圖10 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)波形5A

雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)采用針腳注入試驗(yàn)方法，施加在針腳與設(shè)備外殼之間，測試原理圖如圖11所示，雷電注入試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖12所示。

圖11 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)原理圖

圖12 雷電注入試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

在雷電注入試驗(yàn)前，先對(duì)電源防護(hù)模塊進(jìn)行測試，確保其工作正常，然后記錄雷電脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出波形，確保其波形正常，以便與試驗(yàn)后波形分析比較。在進(jìn)行雷電注入試驗(yàn)時(shí)，按照?qǐng)D12配置，完成電源防護(hù)模塊接線，使用短線將校準(zhǔn)點(diǎn)連接到電源防護(hù)模塊輸入端針腳，首先選用波形4/等級(jí)3進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行10次注入，記錄防護(hù)模塊輸出后的波形及其工作狀態(tài)，然后依次按照波形4/等級(jí)4、波形5A/等級(jí)3、波形5A/等級(jí)4進(jìn)行設(shè)置，完成所有的測試。雷電脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出波形如圖13所示，不同波形、不同等級(jí)下電源防護(hù)模塊輸出波形如圖14所示，電源防護(hù)模塊對(duì)不同等級(jí)雷電的箝位電壓及試驗(yàn)后的工作狀態(tài)如表2所示。

圖13 雷電脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出波形

圖14 電源防護(hù)模塊雷電測試輸出波形

表2 電源防護(hù)模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

如表2所示，電源防護(hù)模塊對(duì)雷電電磁脈沖的箝位電壓最大為59.2 V，而電源模塊損壞電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓的2倍，故認(rèn)為電源防護(hù)模塊可滿足波形4/等級(jí)3、波形4/等級(jí)4、波形5A/等級(jí)3、波形5A/等級(jí)4雷電防護(hù)要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種雷電電磁脈沖下的電源防護(hù)電路，采用二級(jí)瞬態(tài)防護(hù)電路和濾波電路的組合，其中瞬態(tài)防護(hù)電路對(duì)耦合到電源線上的過電流、過電壓進(jìn)行箝位和泄放，濾波電路對(duì)干擾信號(hào)加以抑制。實(shí)際焊接了設(shè)計(jì)的電源防護(hù)電路，并進(jìn)行了雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)測試，對(duì)雷電電磁脈沖的鉗位電壓最大為59.2V，可滿足波形4/等級(jí)3、波形4/等級(jí)4、波形5/等級(jí)3、波形5/等級(jí)4雷電防護(hù)要求?？梢姡撾娫捶雷o(hù)電路可對(duì)雷電電磁脈沖進(jìn)行衰減，可以有效保護(hù)直流電源。