電磁脈沖環境下電源防護電路設計

北京信息科技大學自動化學院，北京 100101

一、引言

隨著科技的發展，電子設備的集成化程度越來越高，但是伴隨而來的問題是電子設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備具有強大的破壞能力，強電磁脈沖產生瞬間的高電壓、大電流，通過線纜對電子設備造成干擾和毀傷，破壞電子設備的電磁兼容[1-3]。近年來，國內外很多機構都投入了大量精力研究強電磁脈沖對電子系統的影響，以及對強電磁脈沖的防護措施[4-5]。

當前，國外防御電磁脈沖的具體方法主要有：屏蔽和接地、使用外部防護元器件保護預先包裝的電路、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，加強電子設備防護的主要方法有：

（1）合理配置線路和設置屏蔽；

（2）合理設計電纜；

（3）當電磁脈沖耦合進入設備，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，屏蔽設計以及濾波器設計和接地無法完全有效的阻擋電磁脈沖進入設備，容易導致設備損壞。

本文主要設計電路保護電源，在電源前端附加，當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，加入瞬態元件，進行電壓抑制和電流泄放[8-11]。通過將瞬態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生的電壓，在濾波器末端增加瞬態元件，對殘壓進行進一步限制，以達到保護電源目的。

1、電磁兼容示波器設計

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（Butterworth filter），在濾波器設計中，巴特沃斯濾波器由于設計簡單，性能方面沒有明顯缺點，因此被廣泛運用，本文采用歸一法設計。

設計參數：濾波器截止頻率為1MHz，在10MHz時，濾波器衰減為-100dB，源端和負載阻抗為50Ω。

如圖2所示，根據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，固采用五階濾波器進行設計。根據濾波器衰減特性，在10MHz要達到-100dB，則使用五階濾波器最為恰當。

首先根據截止頻率進行歸算：

然后根據需要設計濾波器的特征阻抗進行歸算，即可以達到滿足設計參數的濾波器

如圖4所示，根據上述計算結果，將原來的截止頻率為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保護器件，當壓敏電阻兩端出現過電壓時，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電路可承受的電壓值，由于壓敏電阻標稱電壓范圍廣泛，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：一是壓敏電阻標稱電壓要大于電路最高連續工作電壓；二是壓敏電路標稱電壓要遠低于電路的耐受電壓。一般根據下面公式進行選擇：

其中，a—電壓波動系數；

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。

a取1.2，V取24V，b取0.85，c取0.9，則Vmov=3 7.6V。

有時電路由于接地不良，導致線路與大地之間的電壓上升，因此通常取標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。

根據計算得出，選擇標稱電壓為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AC SWEEP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。仿真結果如圖6所示，在頻率是1.0002MHz時，衰減是-3.0015dB，當頻率達到10MHz時，衰減可以達到-107.947dB，完全符合設計指標。

通過使用瞬態分析法，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。瞬態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學模型相符合的波形，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1672V的電磁脈沖進行抑制，其輸出結果如圖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，脈沖發生器采用SANKI公司的型號為SKS-0404GB的電快速瞬變脈沖群發生器，示波器采用安捷倫公司型號為DSO6052A的數字示波器。實驗方案為群脈沖發生器脈沖重復頻率FREQ=100kHz，群脈沖周期PERIOD=1000ms，脈沖個數SPIKES=1，運行時間TIMER=20s，通過調節脈沖幅值，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，由于瞬態元件本身泄流量限制，當脈沖電壓越高時，經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，以及壓敏電阻參數的不全面，導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、結論

本文采用較為簡單使用的濾波器設計方法，設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元件進行設計，因此可以采取多種瞬態元件配合使用提高電路整體性能。