電磁脈沖環(huán)境下電源防護電路設(shè)計

電磁脈沖環(huán)境下電源防護電路設(shè)計李超;李鄧化;郝翠;王揚【摘要】主要設(shè)計了直流電源在強電磁脈沖環(huán)境下的保護電路，闡述了設(shè)計思路，并進行仿真和實驗驗證.防護電路設(shè)計采用瞬態(tài)元件和濾波電路互相配合使用.瞬態(tài)元件主要是電壓箝位和電流的泄放,濾波電路是濾波和延時作用.仿真與實驗結(jié)果表明,防護電路可以對強電磁脈沖進行衰減，可以有效保護直流電源.【期刊名稱】《傳感器世界》【年(卷)，期】2016(022)009【總頁數(shù)】5頁(P19-23)【關(guān)鍵詞】直流電源;強電磁脈沖;瞬態(tài)元件;濾波電路【作者】李超;李鄧化;郝翠;王揚【作者單位】北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100101;北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100101;北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100101;北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100101【正文語種】中文【中圖分類】TP206.1一、引言隨著科技的發(fā)展，電子設(shè)備的集成化程度越來越高，但是伴隨而來的問題是電子設(shè)備對電磁脈沖的敏感度也隨之增加。由于電磁脈沖對電子設(shè)備具有強大的破壞能力，強電磁脈沖產(chǎn)生瞬間的高電壓、大電流，通過線纜對電子設(shè)備造成干擾和毀傷，破壞電子設(shè)備的電磁兼容［1-3］。近年來，國內(nèi)外很多機構(gòu)都投入了大量精力研究強電磁脈沖對電子系統(tǒng)的影響，以及對強電磁脈沖的防護措施［4-5］。當(dāng)前，國外防御電磁脈沖的具體方法主要有：屏蔽和接地、使用外卜部防護元器件保護預(yù)先包裝的電路、選擇最佳的元器件、使用一些不易受電磁脈沖影響的元件、使用特種濾波器等［6］。針對電磁脈沖破壞機理，加強電子設(shè)備防護的主要方法有：（1） 合理配置線路和設(shè)置屏蔽；（2） 合理設(shè)計電纜；（3） 當(dāng)電磁脈沖耦合進入設(shè)備，阻止電流和電壓向敏感元件傳輸；（4） 合理使用部件。但是，電磁脈沖具有極寬的頻段，屏蔽設(shè)計以及濾波器設(shè)計和接地?zé)o法完全有效的阻擋電磁脈沖進入設(shè)備，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。本文主要設(shè)計電路保護電源，在電源前端附加，當(dāng)強電磁脈沖耦合到電路時，保護電路快速動作，泄掉脈沖過電流，起到箝位電壓的作用，充分保護電源正常工作［7］。介紹電磁脈沖濾波器測試辦法，以及相關(guān)元器件選型，并對電路使用OrCad軟件中的Pspice組件進行仿真，并焊接實際電路進行測試。二、電源防護電路設(shè)計本文中，被防護的電源為直流電源，其輸入電壓為24V，輸出電壓為12V。如圖1所示，由于采用非隔離的電源模塊，需要在電源前端增加額外防護電路對其進行保護。防護電路采用電磁兼容濾波器，在濾波器中，加入瞬態(tài)元件，進行電壓抑制和電流泄放［8-11］。通過將瞬態(tài)電路引入到電磁兼容濾波器，可以使濾波器在原有功能中增加泄流限壓功能，從而降低強電磁脈沖產(chǎn)生的電壓，在濾波器末端增加瞬態(tài)元件，對殘壓進行進一步限制，以達(dá)到保護電源目的。1、電磁兼容示波器設(shè)計由于電磁脈沖的頻譜很寬，覆蓋整個無線電頻段，但是主要頻段在幾赫茲到100MHz，因此設(shè)計的電磁兼容濾波器為低通濾波器，這樣既保證了對電磁脈沖濾除，也保證了直流電流的無損耗通過。電磁兼容濾波器為巴特沃斯型濾波器(Butterworthfilter)，在濾波器設(shè)計中，巴特沃斯濾波器由于設(shè)計簡單，性能方面沒有明顯缺點，因此被廣泛運用，本文采用歸一法設(shè)計。設(shè)計參數(shù)：濾波器截止頻率為1MHz，在10MHz時，濾波器衰減為-100dB，源端和負(fù)載阻抗為50Q。如圖2所示，根據(jù)巴特沃斯濾波器特性，為了滿足濾波器在10MHz時，衰減為-100dB要求，并盡量減少濾波器階數(shù)，固采用五階濾波器進行設(shè)計。根據(jù)濾波器衰減特性，在10MHz要達(dá)到-100dB，則使用五階濾波器最為恰當(dāng)。圖3表示出截止頻率為特征阻抗為10的歸一化巴特沃斯低通濾波器參數(shù)，然后根據(jù)設(shè)計參數(shù)進行歸算。首先根據(jù)截止頻率進行歸算：然后根據(jù)需要設(shè)計濾波器的特征阻抗進行歸算，即可以達(dá)到滿足設(shè)計參數(shù)的濾波器如圖4所示，根據(jù)上述計算結(jié)果，將原來的截止頻率為1Hz，特征阻抗為10的濾波器，歸算成特征阻抗為500，截止頻率為1MHz的巴特沃斯低通濾波器。2、壓敏電阻的選用壓敏電阻是一種瞬態(tài)保護器件，當(dāng)壓敏電阻兩端出現(xiàn)過電壓時，壓敏電阻阻值瞬間減小，進行電流泄放，并將電壓限制到相對后續(xù)電路可承受的電壓值，由于壓敏電阻標(biāo)稱電壓范圍廣泛，并且泄流能力較強，動作時間迅速，是電源防護的較好選擇[11-13]。壓敏電阻的選用一般遵循兩點：一是壓敏電阻標(biāo)稱電壓要大于電路最高連續(xù)工作電壓；二是壓敏電路標(biāo)稱電壓要遠(yuǎn)低于電路的耐受電壓。一般根據(jù)下面公式進行選擇:其中，a一電壓波動系數(shù)；V—直流工作電壓，單位：V；b一壓敏電阻誤差；c一壓敏電阻老化系數(shù)。a取1.2，V取24V，b取0.85，c取0.9,則Vmov=37.6V。有時電路由于接地不良，導(dǎo)致線路與大地之間的電壓上升，因此通常取標(biāo)稱電壓比計算值稍高的壓敏電阻進行選用，這樣可以增加壓敏電阻的使用壽命。根據(jù)計算得出，選擇標(biāo)稱電壓為38V的壓敏電阻使用，因此選擇EPCOS公司的S20K30作為防護電路第二級防使用，進行殘余電磁脈沖能量的泄放；第一級選用標(biāo)稱電壓稍高的S20K50壓敏電阻進行防護，這樣更好的保護電磁兼容濾波器，并且可以更充分的對電磁脈沖電流進行泄放。防護電路完整電路圖如圖5所示。三、電路仿真與試驗根據(jù)圖5電路，使用OrCad軟件中的Pspice組件進行仿真，Pspice組件中的交流小信號分析ACSWEEP是一種頻域分析，通過對濾波電路仿真，可以得到濾波電路的幅頻特性。仿真結(jié)果如圖6所示，在頻率是1.0002MHz時，衰減是-3.0015dB，當(dāng)頻率達(dá)到10MHz時，衰減可以達(dá)到-107.947dB，完全符合設(shè)計指標(biāo)。通過使用瞬態(tài)分析法，對整體電路在給定激勵信號的情況下求解電路輸出的時間響應(yīng)。瞬態(tài)分析電源使用沖擊電源，通過計算電源上升時間，下降時間使電源輸出與電磁脈沖數(shù)學(xué)模型相符合的波形，然后通過改變幅值，模擬實際情況采用電壓注入法進行仿真，記錄較輸入波形。圖7(a)是防護電路輸入波形，防護電路將幅值高達(dá)1672V的電磁脈沖進行抑制，其輸出結(jié)果如圖7(b)所示，脈沖衰減為幅值為34.2V，防護電路將大部分脈沖能量進行吸收，可以保護電源不被損壞。通過仿真驗證試驗可行性后，實物搭建電路進行測試，實驗儀器連線如圖8所示，脈沖發(fā)生器采用SANKI公司的型號為SKS-0404GB的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器，示波器采用安捷倫公司型號為DSO6052A的數(shù)字示波器。實驗方案為群脈沖發(fā)生器脈沖重復(fù)頻率FREQ=100kHz，群脈沖周期PERIOD=1000ms，脈沖個數(shù)SPIKES=1，運行時間TIMER=20s，通過調(diào)節(jié)脈沖幅值，觀察輸出波形。由于脈沖群可能對示波器造成損壞，為了安全考慮，在示波器前端需要安裝-100dB衰減器，方可進行測試。如圖9所示，對比兩條直線可以看出，防護電路有較大的泄流限壓能力，并對脈沖具有較大衰減能力，由于瞬態(tài)元件本身泄流量限制，當(dāng)脈沖電壓越高時，經(jīng)過保護電路后輸出電壓也越高，但可以保護電源不受電磁脈沖的影響保證電源模塊的正常工作。由于仿真軟件的局限性，無法仿真出電磁脈沖對電容、電感影響，以及壓敏電阻參數(shù)的不全面，導(dǎo)致仿真與實際電路測試有較大差距，但防護電路對電磁脈沖有較大衰減，雖然電路會產(chǎn)生振蕩，但幅值較小。由于被保護是直流電源，因此不會對有太大影響。在振蕩過程中，電磁脈沖幅值進一步減小，殘余的脈沖可以通過末端壓敏電阻進行泄放，從而保護了后面電源不會被損壞。四、結(jié)論本文采用較為簡單使用的濾波器設(shè)計方法，設(shè)計出的防護電路雖起到了良好的防護作用，但是只采用了一種瞬態(tài)元件進行設(shè)計，因此可以采取多種瞬態(tài)元件配合使用提高電路整體性能。參考文獻【相關(guān)文獻】RolandKrzikalla,JanLuikenterHaseborg.Systematicdescriptionoftheprotectioncapabilityprotectionelements[C].NJ,USA:IEEETransactionsonElectromagneticsCompatibility,2012.1055-1065.M.Camp,F.Garbe.Couplingoftransientultrawidebandelectromagneticfieldstocomplexelectronicsystems[C].NJ,USA:IEEETransactionsonElectromagneticsCompatibility,2009.231-236.ThomasWeber,RolandKrzikalla,JanLuikenterHaseborg.LinearandnonlinearfilterssuppressingEMPpulses[C].NJ,USA:IEEETransactionsonElectromagneticsCompatibility,2004,46(3):423-430LUFeng,CHENBin,ZHOUBi-hua.TheHEMPcouplingeffectofprotectiveengineeringentrance.EnvironmentalElectromagnetics[C],The20064thAsia-PacificConferenceNJ,USA:IEEETransactionsonElectromagneticsCompatibility,2006.61-66lanozM.ComparisonbetweenhighaltitudeEMPandhighpowerelectromagneticeffectsonequipmentandsystems[C].NJ,USA:IEEETransactionsonElectromagneticsCompatibility,2007InternationalSymposium2007.1-5周璧華，陳彬，石立華.電磁脈沖及其工程防護[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:220-239邱揚，田錦.電磁兼容設(shè)計技術(shù)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2001.王洋.接收機前端低噪聲放