几种特殊电磁干扰的产生分析与抑制方案
2008-12-04 09:30:49
来源：《国际电子变压器》2008年12月刊
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1 引言
随着机载电子设备的不断进步与发展，“电污染”已成为一项重要的现实的问题。据统计显示，有九成的机载电子设备故障来自“电污染”。近几年，许多兄弟单位制作的精密电子仪器、仪表、计算机等设备，在使用中莫名其妙的出现误码、死机，甚至烧毁，还使一些检测装置出现误报或失灵，更使一些遥控、遥测设备出现误测数据。这些故障往往被人认为是产品本身存在的质量问题、或所使用的元器件的质量问题，但是经过我们专业的电源工作者的反复测试，和对损坏器件、设备所做的失效分析，表明大部分是由“电污染”造成的。这些“电污染”给我们的工作带来许多无法弥补的损失。
“电污染”主要可分为八类：过压浪涌、欠压浪涌、波形失真、杂讯、频率漂移、断电、突波、瞬态尖峰浪涌。机上通过多余度供电、稳压设备和EMI滤波器可解决欠压浪涌、波形失真、杂讯、频率漂移、断电等污染，而过压浪涌、突波、瞬态尖峰浪涌由于其电压过高，时间又短，以上设备和方案是无法抑制。而这几种污染造成的灾害大，可能使整个系统停顿，如机载计算机的工作停顿，通讯中止等，当它袭击到用电设备的集成片上，往往会造成误操作和集成芯片的损坏。
在《GJB181-86飞机供电特性及对用电设备的要求》中给出了相关的定义。
浪涌是指由电源系统的自身调节及调节器的校正作用所引起的某一特性偏离受控稳态值的变化。
尖峰是指特性偏离浪涌电压或受控稳态电压，这偏离在极短时间内达到最大值。
同时，GJB181-86也规定了各用电设备至少要达到的标准，2.4.4.1 规定各用电设备耐瞬态尖峰浪涌的标准：600伏，持续l0微秒。
2.4.4.2 规定各用电设备耐过压浪涌的标准：
·交流115伏用电设备：有效值为180伏，持续100毫秒；
·直流28伏用电设备：80伏，持续50毫秒。
2 突波和瞬态尖峰浪涌的产生分析及抑制方案
2.1 突波和瞬态尖峰浪涌的产生分析
这里，首先分析一下突波和瞬态尖峰浪涌（持续期为微秒的尖峰脉冲）的串入形式：
(1) 产生于机上供电线路上，放电功率10~100kA，脉宽0.1~0.2ms的高压尖峰脉冲。
·打在飞机上的直击雷；
·高压供电线路的短路故障。
(2) 机上各用电设备的供电系统中产生的工作浪涌。放电功率kA数量级，峰值电压最高达600V。
·高压变压器的投入或切除；
·电动机的启动与停止；
·起落架的升降；
·重载可控硅负载的运行。
(3) 产生于内部末端负载的瞬态浪涌，峰值电压可达200V，放电电流几十安培数量级
·驱动模块的启动；
·继电器、开关、电磁阀、变频调速器引起的线路间干扰；
·静电放电等。
我们在设计、生产时，适当地抑制住可能出现的瞬态尖峰的电压幅度，保护电源及电源末端重要的用电设备是十分必要的。
2.2 突波和瞬态尖峰浪涌的抑制方案
在实际的应用中，大家可以采用以下方案来解决瞬态尖峰给大家带来的各种问题：
·对重载设备增加软启动电路，从而有效减小启动冲击造成的瞬态尖峰；
·对高压线路采取更为有效的防护措施，从而尽可能的避免因高压线短路故障造成的瞬态尖峰；
·增加保护电路，将瞬态尖峰的幅值降下来。
前两种是在设计初期时，需要系统考虑、注意的，对于大家已经完成设计的用电设备（或模块），主要还是采用增加保护电路，将瞬态尖峰的幅值降下来的方案。而常用的一种方案是并联一只TVS在大家需保护的重要负载供匚的前级。如图1所示。其工作原理为：正常情况下，电流经线路供给负载，而TVS处于高阻断状态。当有瞬态尖峰出现时，TVS对其超过箝位电平的部分尖脉冲幅值予以短路，导通时间为ns级。箝位电压一般为电子设备可承受的最大瞬间电压。当瞬态尖峰被吸收后，TVS重新处于高阻断状态。
目前，这种使用TVS管来处理瞬态尖峰的方案，在试验和实际使用中，效果十分明显，能有这样的效果主要是因为TVS管有以下的特点：
(1) 响应时间最快。
能量的公式是I2t。当大的冲击电流冲击电路时，响应时间越短，通过负载的高电压就越小，这样浪涌抑制器的响应时间就成为衡量其品质和保护能力的最重要参数。各个公司的产品响应时间是有差异的，但都在ns(1ns=10-12s)级，是目前器件中响应时间最快的。
(2) 最佳MOV模块匹配技术
TVS内所采用的高压浪涌抑制模块使金属氧化物非线性电阻模块(MOV)所组成的阵列。MOV具有快速导通，高度阻断的特性。如不匹配，在低电流时，MOV模块不能均分电流。在高电流时，MOV会强制均分阻扰。所以，MOV的匹配对于高抑制能力极为重要。大多数的瞬态尖峰的幅值是较低的，如果MOV模快不能够均分阻抗，将降低设备的使用寿命和抑制能力。
3 过压浪涌的产生分析及抑制方案
3.1 过压浪涌的产生分析
还有另一种问题：过压浪涌（持续期为毫秒级的尖峰脉冲），在这里，分析一下他的串入形式：
(1) 由于在机上供电电源与地面电源的切换中，产生短时间的过压浪涌，同时，伴随着欠压或掉电，持续期均小于50毫秒；
(2)产生于机上供电线路上的高压供电线路的故障等，能量较大，持续期均为毫秒级到秒级不定；
(3) 机上的大型重载用电设备的供电系统中产生的工作浪涌，能量较小，持续期均为毫秒级。
前两种情况，—发生输出能量都较大，浪涌电压波形的上升沿较陡，脉冲宽度较大；第三种输出能量都较小，浪涌电压波形的上升沿较不太陡。一般的电磁干扰滤波器抑制这种过压浪涌电压的抑制能力就较差了，常会造成共模扼流圈发生磁饱和现象。
3.2 过压浪涌的抑制方案
在实际应用中，我们根据用电设备的输入功率不同，采用不同的方案进行处理：
3.2.1 输入端并接一组压敏电阻VSR
在输出负载较轻时，可以通过在电源模块输入端并接一组压敏电阻VSR（Voltage Sensitiv resistor），如图2所示的方案来处理过压浪涌。压敏电阻VSR是一种新型过压保护元件；对过压浪涌脉冲响应快，响应时间一般为几至几十纳秒；抗冲击电流的能力很强，通流量可达到100A～20kA；漏电流低于几至几十微安，工作稳定，电阻温度系数低于0.05％/℃。压敏电阻是以氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属-氧化物-半导体陶瓷元件，其电阻值随电压的变化而变化。
3.2.2 输入端串入一个二端口网络
在输出负载轻时，可以在输入端串人一个二端口网络，这里我们要注意电阻R的额定功率（P），要满足在正常供电输入电流（I）时的电阻功耗（I2R）小于P。在浪涌期间，电压将被箝位在大功率TVS的设定电压，浪涌功率被消耗在电阻（R）与TVS管上，达到我们的设计值。此方案主要针对小功率输入的情况，不但可以抑制短时间的过压浪涌，而且可以抑制瞬态尖峰。
3.2.3 输入端串入一个降压二端口电路
在输入端串入一个降压二端口电路，工作原理为：正常情况下，该降压二端口电路处于低阻抗状态，输入输出几乎无压降；当过压浪涌出现时，该降压二端口电路工作于受控的高阻抗状态，将高于设定电压的功率消耗在降压二端口电路中，从而保证该降压二端口电路的输出端电压基本稳定在设定电压点，使后端电路正常工作。由于降压二端口电路中控制处理电路的工作周期为微秒级的，所以，该降压二端口电路的响应时间也是微秒级的。
目前，这种使用降压二端口电路来处理瞬态尖峰的方案，效果十分明显，能有良好的效果，主要是因为电路有以下的特点：
(1) 响应时间比较快
过压浪涌的时间是毫秒级的，降压二端口电路的响应时间是微秒级，满足对过压浪涌的响应时间要求。
(2) 阻抗状态受控
阻抗状态受控，使降压二端口电路在正常使用时本身的损耗很小，可以保证被保护的用电设备(模块)的功率损耗很小。
(3) 功率大
阻抗受控器件抗冲击电流的能力很强，低阻抗状态下通流量可达到几百安；在受控的高阻抗状态下。由于器件选择的不同，功率可达到几百瓦至几千瓦，且工作稳定。
4 结语
综上所述，我们可以清楚地看到，通过本文提供的方案，再配合多余度供电、稳压设备和EMI滤波器的使用，可以有效的处理现有的八类电磁干扰。全面提高用电设备使用的安全性和可靠性。
参考文献
[1] GJB181-86. 飞机供电特性及对用电设备的要求．
[2] 沙占友．特种集成电源最新应用技术．
随着机载电子设备的不断进步与发展，“电污染”已成为一项重要的现实的问题。据统计显示，有九成的机载电子设备故障来自“电污染”。近几年，许多兄弟单位制作的精密电子仪器、仪表、计算机等设备，在使用中莫名其妙的出现误码、死机，甚至烧毁，还使一些检测装置出现误报或失灵，更使一些遥控、遥测设备出现误测数据。这些故障往往被人认为是产品本身存在的质量问题、或所使用的元器件的质量问题，但是经过我们专业的电源工作者的反复测试，和对损坏器件、设备所做的失效分析，表明大部分是由“电污染”造成的。这些“电污染”给我们的工作带来许多无法弥补的损失。
“电污染”主要可分为八类：过压浪涌、欠压浪涌、波形失真、杂讯、频率漂移、断电、突波、瞬态尖峰浪涌。机上通过多余度供电、稳压设备和EMI滤波器可解决欠压浪涌、波形失真、杂讯、频率漂移、断电等污染，而过压浪涌、突波、瞬态尖峰浪涌由于其电压过高，时间又短，以上设备和方案是无法抑制。而这几种污染造成的灾害大，可能使整个系统停顿，如机载计算机的工作停顿，通讯中止等，当它袭击到用电设备的集成片上，往往会造成误操作和集成芯片的损坏。
在《GJB181-86飞机供电特性及对用电设备的要求》中给出了相关的定义。
浪涌是指由电源系统的自身调节及调节器的校正作用所引起的某一特性偏离受控稳态值的变化。
尖峰是指特性偏离浪涌电压或受控稳态电压，这偏离在极短时间内达到最大值。
同时，GJB181-86也规定了各用电设备至少要达到的标准，2.4.4.1 规定各用电设备耐瞬态尖峰浪涌的标准：600伏，持续l0微秒。
2.4.4.2 规定各用电设备耐过压浪涌的标准：
·交流115伏用电设备：有效值为180伏，持续100毫秒；
·直流28伏用电设备：80伏，持续50毫秒。
2 突波和瞬态尖峰浪涌的产生分析及抑制方案
2.1 突波和瞬态尖峰浪涌的产生分析
这里，首先分析一下突波和瞬态尖峰浪涌（持续期为微秒的尖峰脉冲）的串入形式：
(1) 产生于机上供电线路上，放电功率10~100kA，脉宽0.1~0.2ms的高压尖峰脉冲。
·打在飞机上的直击雷；
·高压供电线路的短路故障。
(2) 机上各用电设备的供电系统中产生的工作浪涌。放电功率kA数量级，峰值电压最高达600V。
·高压变压器的投入或切除；
·电动机的启动与停止；
·起落架的升降；
·重载可控硅负载的运行。
(3) 产生于内部末端负载的瞬态浪涌，峰值电压可达200V，放电电流几十安培数量级
·驱动模块的启动；
·继电器、开关、电磁阀、变频调速器引起的线路间干扰；
·静电放电等。
我们在设计、生产时，适当地抑制住可能出现的瞬态尖峰的电压幅度，保护电源及电源末端重要的用电设备是十分必要的。
2.2 突波和瞬态尖峰浪涌的抑制方案
在实际的应用中，大家可以采用以下方案来解决瞬态尖峰给大家带来的各种问题：
·对重载设备增加软启动电路，从而有效减小启动冲击造成的瞬态尖峰；
·对高压线路采取更为有效的防护措施，从而尽可能的避免因高压线短路故障造成的瞬态尖峰；
·增加保护电路，将瞬态尖峰的幅值降下来。
前两种是在设计初期时，需要系统考虑、注意的，对于大家已经完成设计的用电设备（或模块），主要还是采用增加保护电路，将瞬态尖峰的幅值降下来的方案。而常用的一种方案是并联一只TVS在大家需保护的重要负载供匚的前级。如图1所示。其工作原理为：正常情况下，电流经线路供给负载，而TVS处于高阻断状态。当有瞬态尖峰出现时，TVS对其超过箝位电平的部分尖脉冲幅值予以短路，导通时间为ns级。箝位电压一般为电子设备可承受的最大瞬间电压。当瞬态尖峰被吸收后，TVS重新处于高阻断状态。
目前，这种使用TVS管来处理瞬态尖峰的方案，在试验和实际使用中，效果十分明显，能有这样的效果主要是因为TVS管有以下的特点：
(1) 响应时间最快。
能量的公式是I2t。当大的冲击电流冲击电路时，响应时间越短，通过负载的高电压就越小，这样浪涌抑制器的响应时间就成为衡量其品质和保护能力的最重要参数。各个公司的产品响应时间是有差异的，但都在ns(1ns=10-12s)级，是目前器件中响应时间最快的。
(2) 最佳MOV模块匹配技术
TVS内所采用的高压浪涌抑制模块使金属氧化物非线性电阻模块(MOV)所组成的阵列。MOV具有快速导通，高度阻断的特性。如不匹配，在低电流时，MOV模块不能均分电流。在高电流时，MOV会强制均分阻扰。所以，MOV的匹配对于高抑制能力极为重要。大多数的瞬态尖峰的幅值是较低的，如果MOV模快不能够均分阻抗，将降低设备的使用寿命和抑制能力。
3 过压浪涌的产生分析及抑制方案
3.1 过压浪涌的产生分析
还有另一种问题：过压浪涌（持续期为毫秒级的尖峰脉冲），在这里，分析一下他的串入形式：
(1) 由于在机上供电电源与地面电源的切换中，产生短时间的过压浪涌，同时，伴随着欠压或掉电，持续期均小于50毫秒；
(2)产生于机上供电线路上的高压供电线路的故障等，能量较大，持续期均为毫秒级到秒级不定；
(3) 机上的大型重载用电设备的供电系统中产生的工作浪涌，能量较小，持续期均为毫秒级。
前两种情况，—发生输出能量都较大，浪涌电压波形的上升沿较陡，脉冲宽度较大；第三种输出能量都较小，浪涌电压波形的上升沿较不太陡。一般的电磁干扰滤波器抑制这种过压浪涌电压的抑制能力就较差了，常会造成共模扼流圈发生磁饱和现象。
3.2 过压浪涌的抑制方案
在实际应用中，我们根据用电设备的输入功率不同，采用不同的方案进行处理：
3.2.1 输入端并接一组压敏电阻VSR
在输出负载较轻时，可以通过在电源模块输入端并接一组压敏电阻VSR（Voltage Sensitiv resistor），如图2所示的方案来处理过压浪涌。压敏电阻VSR是一种新型过压保护元件；对过压浪涌脉冲响应快，响应时间一般为几至几十纳秒；抗冲击电流的能力很强，通流量可达到100A～20kA；漏电流低于几至几十微安，工作稳定，电阻温度系数低于0.05％/℃。压敏电阻是以氧化锌（ZnO）为主要材料制成的金属-氧化物-半导体陶瓷元件，其电阻值随电压的变化而变化。
3.2.2 输入端串入一个二端口网络
在输出负载轻时，可以在输入端串人一个二端口网络，这里我们要注意电阻R的额定功率（P），要满足在正常供电输入电流（I）时的电阻功耗（I2R）小于P。在浪涌期间，电压将被箝位在大功率TVS的设定电压，浪涌功率被消耗在电阻（R）与TVS管上，达到我们的设计值。此方案主要针对小功率输入的情况，不但可以抑制短时间的过压浪涌，而且可以抑制瞬态尖峰。
3.2.3 输入端串入一个降压二端口电路
在输入端串入一个降压二端口电路，工作原理为：正常情况下，该降压二端口电路处于低阻抗状态，输入输出几乎无压降；当过压浪涌出现时，该降压二端口电路工作于受控的高阻抗状态，将高于设定电压的功率消耗在降压二端口电路中，从而保证该降压二端口电路的输出端电压基本稳定在设定电压点，使后端电路正常工作。由于降压二端口电路中控制处理电路的工作周期为微秒级的，所以，该降压二端口电路的响应时间也是微秒级的。
目前，这种使用降压二端口电路来处理瞬态尖峰的方案，效果十分明显，能有良好的效果，主要是因为电路有以下的特点：
(1) 响应时间比较快
过压浪涌的时间是毫秒级的，降压二端口电路的响应时间是微秒级，满足对过压浪涌的响应时间要求。
(2) 阻抗状态受控
阻抗状态受控，使降压二端口电路在正常使用时本身的损耗很小，可以保证被保护的用电设备(模块)的功率损耗很小。
(3) 功率大
阻抗受控器件抗冲击电流的能力很强，低阻抗状态下通流量可达到几百安；在受控的高阻抗状态下。由于器件选择的不同，功率可达到几百瓦至几千瓦，且工作稳定。
4 结语
综上所述，我们可以清楚地看到，通过本文提供的方案，再配合多余度供电、稳压设备和EMI滤波器的使用，可以有效的处理现有的八类电磁干扰。全面提高用电设备使用的安全性和可靠性。
参考文献
[1] GJB181-86. 飞机供电特性及对用电设备的要求．
[2] 沙占友．特种集成电源最新应用技术．
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