電磁脈沖環(huán)境下電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100101

一、引言

隨著科技的發(fā)展，電子設(shè)備的集成化程度越來(lái)越高，但是伴隨而來(lái)的問(wèn)題是電子設(shè)備對(duì)電磁脈沖的敏感度也隨之增加。由于電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備具有強(qiáng)大的破壞能力，強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生瞬間的高電壓、大電流，通過(guò)線(xiàn)纜對(duì)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(lái)，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都投入了大量精力研究強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)的影響，以及對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)措施[4-5]。

當(dāng)前，國(guó)外防御電磁脈沖的具體方法主要有：屏蔽和接地、使用外部防護(hù)元器件保護(hù)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(duì)電磁脈沖破壞機(jī)理，加強(qiáng)電子設(shè)備防護(hù)的主要方法有：

（1）合理配置線(xiàn)路和設(shè)置屏蔽；

（2）合理設(shè)計(jì)電纜；

（3）當(dāng)電磁脈沖耦合進(jìn)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(jì)以及濾波器設(shè)計(jì)和接地?zé)o法完全有效的阻擋電磁脈沖進(jìn)入設(shè)備，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞。

本文主要設(shè)計(jì)電路保護(hù)電源，在電源前端附加，當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖耦合到電路時(shí)，保護(hù)電路快速動(dòng)作，泄掉脈沖過(guò)電流，起到箝位電壓的作用，充分保護(hù)電源正常工作[7]。介紹電磁脈沖濾波器測(cè)試辦法，以及相關(guān)元器件選型，并對(duì)電路使用OrCad 軟件中的Pspice組件進(jìn)行仿真，并焊接實(shí)際電路進(jìn)行測(cè)試。

二、電源防護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文中，被防護(hù)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(hù)電路對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。防護(hù)電路采用電磁兼容濾波器，在濾波器中，加入瞬態(tài)元件，進(jìn)行電壓抑制和電流泄放[8-11]。通過(guò)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(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生的電壓，在濾波器末端增加瞬態(tài)元件，對(duì)殘壓進(jìn)行進(jìn)一步限制，以達(dá)到保護(hù)電源目的。

1、電磁兼容示波器設(shè)計(jì)

由于電磁脈沖的頻譜很寬，覆蓋整個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段，但是主要頻段在幾赫茲到100MHz，因此設(shè)計(jì)的電磁兼容濾波器為低通濾波器，這樣既保證了對(duì)電磁脈沖濾除，也保證了直流電流的無(wú)損耗通過(guò)。

電磁兼容濾波器為巴特沃斯型濾波器（Butterworth filter），在濾波器設(shè)計(jì)中，巴特沃斯濾波器由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能方面沒(méi)有明顯缺點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用，本文采用歸一法設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)參數(shù)：濾波器截止頻率為1MHz，在10MHz時(shí)，濾波器衰減為-100dB，源端和負(fù)載阻抗為50Ω。

如圖2所示，根據(jù)巴特沃斯濾波器特性，為了滿(mǎn)足濾波器在10MHz時(shí)，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(jìn)行設(shè)計(jì)。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)。

首先根據(jù)截止頻率進(jìn)行歸算：

然后根據(jù)需要設(shè)計(jì)濾波器的特征阻抗進(jìn)行歸算，即可以達(dá)到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)的濾波器

如圖4所示，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，將原來(lái)的截止頻率為1Hz，特征阻抗為1Ω的濾波器，歸算成特征阻抗為50Ω，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(hù)器件，當(dāng)壓敏電阻兩端出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，壓敏電阻阻值瞬間減小，進(jìn)行電流泄放，并將電壓限制到相對(duì)后續(xù)電路可承受的電壓值，由于壓敏電阻標(biāo)稱(chēng)電壓范圍廣泛，并且泄流能力較強(qiáng)，動(dòng)作時(shí)間迅速，是電源防護(hù)的較好選擇[11-13]。

壓敏電阻的選用一般遵循兩點(diǎn)：一是壓敏電阻標(biāo)稱(chēng)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(chēng)電壓要遠(yuǎn)低于電路的耐受電壓。一般根據(jù)下面公式進(jìn)行選擇：

其中，a—電壓波動(dòng)系數(shù)；

V—直流工作電壓，單位：V；

b—壓敏電阻誤差；

c—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=3 7.6V。

有時(shí)電路由于接地不良，導(dǎo)致線(xiàn)路與大地之間的電壓上升，因此通常取標(biāo)稱(chēng)電壓比計(jì)算值稍高的壓敏電阻進(jìn)行選用，這樣可以增加壓敏電阻的使用壽命。

根據(jù)計(jì)算得出，選擇標(biāo)稱(chēng)電壓為38V的壓敏電阻使用，因此選擇EPCOS 公司的S20K30作為防護(hù)電路第二級(jí)防使用，進(jìn)行殘余電磁脈沖能量的泄放；第一級(jí)選用標(biāo)稱(chēng)電壓稍高的S20K50壓敏電阻進(jìn)行防護(hù)，這樣更好的保護(hù)電磁兼容濾波器，并且可以更充分的對(duì)電磁脈沖電流進(jìn)行泄放。防護(hù)電路完整電路圖如圖5所示。

三、電路仿真與試驗(yàn)

根據(jù)圖5電路，使用OrCad軟件中的Pspice組件進(jìn)行仿真，Pspice組件中的交流小信號(hào)分析AC SWEEP是一種頻域分析，通過(guò)對(duì)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(shí)，衰減是-3.0015dB，當(dāng)頻率達(dá)到10MHz時(shí)，衰減可以達(dá)到-107.947dB，完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

通過(guò)使用瞬態(tài)分析法，對(duì)整體電路在給定激勵(lì)信號(hào)的情況下求解電路輸出的時(shí)間響應(yīng)。瞬態(tài)分析電源使用沖擊電源，通過(guò)計(jì)算電源上升時(shí)間，下降時(shí)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(guò)改變幅值，模擬實(shí)際情況采用電壓注入法進(jìn)行仿真，記錄較輸入波形。圖7(a)是防護(hù)電路輸入波形，防護(hù)電路將幅值高達(dá)1672V的電磁脈沖進(jìn)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(hù)電路將大部分脈沖能量進(jìn)行吸收，可以保護(hù)電源不被損壞。

通過(guò)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)可行性后，實(shí)物搭建電路進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)儀器連線(xiàn)如圖8所示，脈沖發(fā)生器采用SANKI公司的型號(hào)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(hào)為DSO6052A的數(shù)字示波器。實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)SPIKES=1，運(yùn)行時(shí)間TIMER=20s，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖幅值，觀(guān)察輸出波形。由于脈沖群可能對(duì)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(jìn)行測(cè)試。

如圖9所示，對(duì)比兩條直線(xiàn)可以看出，防護(hù)電路有較大的泄流限壓能力，并對(duì)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(shí)，經(jīng)過(guò)保護(hù)電路后輸出電壓也越高，但可以保護(hù)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(wú)法仿真出電磁脈沖對(duì)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(shí)際電路測(cè)試有較大差距，但防護(hù)電路對(duì)電磁脈沖有較大衰減，雖然電路會(huì)產(chǎn)生振蕩，但幅值較小。由于被保護(hù)是直流電源，因此不會(huì)對(duì)有太大影響。在振蕩過(guò)程中，電磁脈沖幅值進(jìn)一步減小，殘余的脈沖可以通過(guò)末端壓敏電阻進(jìn)行泄放，從而保護(hù)了后面電源不會(huì)被損壞。

四、結(jié)論

本文采用較為簡(jiǎn)單使用的濾波器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的防護(hù)電路雖起到了良好的防護(hù)作用，但是只采用了一種瞬態(tài)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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。