基于鐵道信號(hào)設(shè)備瞬態(tài)脈沖干擾產(chǎn)生及抑制措施研究

劉巖

【摘 要】瞬態(tài)脈沖干擾是鐵路信號(hào)設(shè)備急需抑制和屏蔽的信號(hào)，本文分析鐵道信號(hào)設(shè)備瞬態(tài)脈沖干擾產(chǎn)生，提出了相應(yīng)抗干擾措施，從而提高鐵道信號(hào)設(shè)備的安全性。

【關(guān)鍵詞】鐵道信號(hào)；瞬態(tài)脈沖；干擾；靜電放電

引言

常見的瞬態(tài)脈沖干擾（需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證）包括各類浪涌、靜電放電（ESD）、電網(wǎng)中由于感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的各種電快速瞬變脈沖群（EFT）等 ， 瞬態(tài)脈沖干擾以電磁感應(yīng)、輻射和傳導(dǎo)的方式影響設(shè)備中的敏感電路。在產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用周期中，以現(xiàn)在的技術(shù)條件對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾沒有方法避免，唯一能做的是將所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品抗干擾能力提高，使其表現(xiàn)出較高的抗干擾能力，在干擾中正?！吧妗薄?/p>

1 瞬態(tài)干擾信號(hào)分析

為了測試設(shè)備對(duì)于瞬態(tài)脈沖干擾的敏感性，人們?cè)趯?duì)瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行觀察分析的基礎(chǔ)上，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)的波形、幅值等指標(biāo)做了明確規(guī)定。無論從耦合途徑，還是通過濾波或其他措施消除干擾信號(hào)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行頻域分析是非常必要的。瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)雖然各不相同，但是它們也有共同點(diǎn)，均為快速上升的尖峰，之后緩慢再下降，不同的是波前時(shí)間和半峰時(shí)間差別很大，如電快速瞬變脈沖群與浪涌達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。通過標(biāo)準(zhǔn)[1，2，3]給出的波形參數(shù)的具體指標(biāo)，可以采用雙指數(shù)函數(shù)[4]對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行建模，歸一化的雙指數(shù)函數(shù)如公式（1）所示，采用傅氏變換把雙指數(shù)函數(shù)從時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換，得到幅值頻譜表達(dá)公式（2）。

式中 ：V 為歸一化幅度 ；k 為波形校正系數(shù) ；α為波前衰減系數(shù) ；β 為波尾衰減系數(shù) ；具體的數(shù)值如表 1 所示。

由公式（2）得到幅頻最大值包絡(luò)圖如圖 1 所示，第一拐點(diǎn)頻率和第二拐點(diǎn)頻率如表 2 所示。

從表 2 幾種瞬態(tài)脈沖信號(hào)的頻譜拐點(diǎn)可以看出，瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)波形的波前時(shí)間越短，則其所包含的頻帶越寬，頻率分量也就越豐富。對(duì)鐵道信號(hào)設(shè)備電磁兼容來說，高頻是輻射干擾的主要原因。EFT 的第一拐點(diǎn)頻率達(dá) 3.2 MHz、第二拐點(diǎn)為32.0 MHz，ESD 的第一拐點(diǎn)頻率達(dá) 5.3 MHz、第二拐點(diǎn)達(dá) 159.2 MHz，這么高的頻率對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行是極大的挑戰(zhàn)。

理論分析表明，浪涌 90% 能量在第二拐點(diǎn)頻率以下，從表 2 可以看出浪涌呈現(xiàn)低頻特征，即主要能量集中在頻率較低的頻段。但是由于信號(hào)的能量特別大，如果干擾信號(hào)經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的敏感電路，輕則容易造成設(shè)備死機(jī)或工作出現(xiàn)異常，重則損壞設(shè)備。

3 瞬態(tài)脈沖干擾的對(duì)策

3.1 靜電放電防護(hù)對(duì)策

靜電放電首先可以考慮通過屏蔽和接地給靜電電流提供一個(gè)阻抗足夠小的泄放途徑，對(duì)靜電電流進(jìn)行泄放。在泄放途徑的設(shè)計(jì)中，必須考慮靜電泄放途徑的等效電感和等效電容 ；當(dāng)泄放途徑的阻抗無法做到足夠低時(shí)，需要考慮在電路板中采取對(duì)靜電電流進(jìn)行鉗位、濾波、單點(diǎn)接地等措施，防止靜電電流進(jìn)入 PCB 內(nèi)部。通過表 1 可以看出，靜電放電的高頻分量非常豐富，在一定的條件下需要考慮產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)PCB 的影響。這需要對(duì) PCB 進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)，在PCB 的布線中，盡量防止大的電流環(huán)路，以防止感應(yīng)磁場。對(duì)于端接高阻抗的布線，需要使布線盡可能短，以防止感應(yīng)電場。對(duì)于連接有長導(dǎo)線的印刷電路板，則需要在端口處進(jìn)行濾波或使用去耦電容，防止導(dǎo)線上接收的靜電騷擾傳入印刷電路板。

3.2 電快速瞬變脈沖群防護(hù)對(duì)策

抑制電快速瞬變脈沖群的措施主要有濾波、屏蔽和接地，在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需要幾種措施結(jié)合起來使用，才能達(dá)到預(yù)期的效果。為提高設(shè)備的抗干擾能力，一般采取以下措施。

1）用金屬連接器代替塑料連接器（對(duì)屏蔽電纜）。

2）在電源端口安裝濾波器。

3）使用共模鐵氧體環(huán)（使用時(shí)最好繞 2 到3 匝）。

4）設(shè)備內(nèi)部敏感電路，使用屏蔽罩或其他措施來加強(qiáng)防護(hù)。

對(duì)使用屏蔽電纜來說，最好使用 360°完全屏蔽連接，否則影響電纜的屏蔽效果 ；金屬連接器和PCB 線路板一定要接地或機(jī)殼 ；安裝電源濾波器要保證與機(jī)殼與保護(hù)地相連，盡量靠近電源口，并保證輸入線和輸出線的分離，避免線路受到二次干擾。同時(shí)要注意電源濾波器的阻抗匹配問題，最大不匹配規(guī)定 ：電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻

抗。電源濾波器的基本電路如圖 2 所示。

由圖 2 可見，差模濾波電容跨接在 L 線和 N 線之間，對(duì)差模電流起旁路作用，通常電容值在 0.1 ～1μF 之間。共模濾波電容跨接在 L 線或 N 線與機(jī)殼地之間，對(duì)共模電流起旁路作用，電容值不能過大。否則，會(huì)超過安全標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)漏電流的限制要求。共摸扼流圈主要作用是濾除低頻共模干擾，電感量范圍一般在 1 mH 至幾十 mH，抑制頻率越低需要的電感量越大。

3.3 浪涌防護(hù)對(duì)策

浪涌的特點(diǎn)是頻率低、能量特別大，普通的濾波器和抗干擾磁芯對(duì)浪涌干擾的抑制無能為力，而必須采用吸波器件將浪涌尖峰干擾電壓吸收掉。吸波器件有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在閥值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過閥值，則阻抗急劇下降，因此，對(duì)浪涌有一定的抑制作用。這類吸波器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）、固體放電管等，不同的吸波器件對(duì)浪涌電壓有各自的局限性，有時(shí)需要根據(jù)具體電路將幾種吸波器件組合使用，來達(dá)到電路防護(hù)的目的。

4 結(jié)束語

瞬態(tài)脈沖干擾是鐵路信號(hào)設(shè)備急需抑制和屏蔽的信號(hào)，對(duì)瞬態(tài)脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行頻域分析為防護(hù)電路設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)出來的防護(hù)電路能夠安全發(fā)揮作用的保障，極大的減少設(shè)備在不良電磁環(huán)境中出現(xiàn)故障或性能降低問題，為鐵路安全行車保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T17626.4-2006 電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn) [S].

[2] GB/T17626.5-2006 電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌 （ 沖擊 ） 抗擾度試驗(yàn) [S].

[3] GB/T17626.2-2006 電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn) [S].

[4] Noack F，Pospiech J，Brocke Retal.Reliable overvoltageprotection of electronic devices in low-voltage power systems[C].International Symposium on Electromagnetic Compati-bility，1999.