利用二极管伏安特性转移低电平干扰

薛红平，李荧兴，韦勇宇，张建红，金彧

（北方自动控制技术研究所，太原030006）

利用二极管伏安特性转移低电平干扰

薛红平，李荧兴，韦勇宇，张建红，金彧

（北方自动控制技术研究所，太原030006）

针对某型光电系统的电磁兼容问题，特别是电源脉动电流引起的地线干扰问题，提出一种利用二极管伏安特性解决此类问题的方法。此方法在实际系统中进行了实践，完全消除了此类电磁兼容问题的影响，而且效费比高，具有非常好的推广及应用价值。

光电系统，电磁兼容，脉冲干扰，二极管

0 引言

随着电子技术进步，实现相同功能的系统体积变得越来越小，相同空间条件下系统集成度越来越高。系统设计不仅要考虑在有限体积和重量内完成功能、性能要求，而且系统内部的电磁兼容性也是一个不可忽略的问题。集成度越高，系统内的各种复杂类型设备之间的电磁自兼容性要求就越来越高。电磁兼容设计是一项高难度的复杂工程，各种类型的系统，电磁兼容问题都有其特殊性，在深入分析系统特征、问题形成机理的基础上，有可能找到针对性的捷径和技巧。

针对某型光电系统内部电源脉动电流引起的地线干扰而带来的电磁兼容问题，提出一种利用二极管伏安特性解决此类电磁干扰的方法。此方法不仅成本低廉，而且能有效抑制干扰，效果明显，具有非常好的推广及应用价值。

1 问题的提出

在某便携式光电侦察系统中，集成有电视摄像机、红外热像仪、激光照射器等单体及伺服运动机构，设备连接框图如图1所示。

图1 某侦察系统设备连接框图

光电侦察系统各单体采用已经定型的成熟产品，各单体均采用同一个24 V直流电源供电，由于光电成像元件、激光等器件的特殊性，其信号地、电源地与其外壳连通。

激光照射器启动时，每发射一束激光，会消耗大量的能量，在激光照射器输入端产生一个大电流脉冲；而当激光照射器启动照射，会周期性、高频地发射激光束，从而在激光照射器输入端产生高频的脉冲大电流。这样，从电视摄像机或红外热像仪输出的视频图像上可以观察到明显的被干扰条纹，如图2所示。

为了不影响侦察效果，如何消除视频图像上的干扰条纹是研究的重点。

图2 脉冲电流造成视频的横纹干扰

受单体设备定型状态、总体尺寸空间、连接器等条件限制，无法通过对各单体设备之间地线隔离、加粗地线等措施解决问题。

2 干扰机理

将系统的信号流图简化为如图3所示的模型，图中设备A为模拟弱信号源并且具有脉动式大电流特性，设备B为模拟弱信号接收及处理设备，设备C为系统电源及控制设备，其中设备AB之间有非隔离模拟小信号传输关系，设备BC之间有非隔离的数字信号传输关系。

图3 某侦察系统信号流示意图

根据图3建立信号传输模型：定义导线ac、ab、bc之间电阻分别为Rac、Rab、Rbc，其中Rbc＜Rac＜＜Rab；设备A工作时流经地线ac的脉冲电流峰值为Ip，模拟信号传输流经信号地线ab的电流为Ia，数字信号传输流经信号地线bc的电流为Id，其中Ip＞Ia*103，且Ia≈Id；设备A信号源输出信号电压为Vxa，设备B接收信号电压为Vyb。

简化地线阻抗模型见图4。

图4 简化地线阻抗模型图

与Ip相比，Ia和Id可以忽略，因此，流经地线的电流可以用下式综合表达：

I≈Ip*σ，其中

由电流引起的ab间压降：

考虑Rbc＜Rac＜＜Rab，有

设备A模拟信号传输到设备B后，输出表达式：

考虑Ip＞Ia*103，有

从式（2）可以看出，在设备B检出的信号中，叠加了周期性的脉冲干扰。设系统允许的干扰门槛为ΔVma，即当Ip*Rac＞ΔVma时，对系统工作产生影响。

本系统中，该干扰导致设备工作不正常，从式（2）分析，解决的途径为降低干扰项Ip×Rac×σ，或者提高Vyb的门槛电压ΔVma。本系统中，Vyb为视频信号，Vp-p≈1 V，属于弱信号，大于50 mV的干扰即可对图像信号产生影响；为了保证激光输出能量，激光照射器工作电流Ip必须保证15 A，只有降低电阻Rac数值，但即使降低到综合电阻20 mΩ，也会导致300 mV的干扰产生。

3 利用二极管伏安特性转移干扰的原理分析

根据式（1），如果能够改变Rab和Rbc的关系，如增大Rbc，即可减小I在设备AB之间引起的扰动Vab，相对应的设备BC之间扰动Vbc增高，扰动被转移。

如果设计Rbc为m*Rab，可得电流I在AB之间和BC之间形成的干扰分别为：

图3中，设备B和C之间传输信号为TTL数字信号，其信号抗干扰门槛ΔVmd相比于ΔVma要高很多，如果将Ip*Rac*σ转移到BC之间并且不影响数字信号的传输，则可解决本系统设备工作兼容性问题。但同时，由数字传输电流引起的BC之间的压降Vbc也将增大。

定义Vbc1为调整Rbc前Id引起的压降，Vbc2调整电阻为Rbc'后Id引起的压降，并设Rbc'=n× Rbc。

则有：

Vbc1=Id×Rbc

Vbc2=Id×Rbc'=n×Vbc1

所以由Id引起的压降增大了n倍，随着Rbc'的增大，Vbc2可能变得无法容忍，将超过数字信号的抗干扰门槛ΔVmd。

如果设计Rbc为自适应可变阻抗电路，当Vbc2达到一定的幅度时，降低阻值，即可有效抑制Vbc2幅度。

图5普通硅二极管伏安特性图

图5 为普通硅二极管的伏安特性曲线图，二极管的正向电压具有死区电压Uth和导通电压UD（on）两个参数，二极管的特性描述如下：

①iD=0，当uD＜Uth；

②iD迅速增大，当uD≥Uth时；

③二极管饱和压降为0.7 V，当uD≥UD（on）时；

根据上述分析，选择普通硅二极管替代Rbc，在工作电压范围内，其阻抗特性（图5）符合上述特征，且具有方向性，反向电阻理论值无穷大；正向电阻随着电压增大而减小，当电压值小于死区电压Uth时，理论电阻值为无穷大，电压到达饱和压降时，电阻值急剧下降。因此，可考虑在Rbc回路中接入二极管转移干扰。图6为接入二极管后，简化地线的阻抗模型。

图6 接入二极管后的阻抗模型

图7接入二极管Rbc阻值特性

图7 为接入二极管后Rbc的阻值特性图。从图上看出，接入二极管后，Rbc的阻值随Vbc2的增加急剧减小，而在电压较低时，阻抗值理论上无穷大，符合上述分析，满足使用需求。

4 试验验证

4.1试验系统

在工程实践中，系统中设备1带有大脉冲电流冲击，并输出模拟视频。实际应用中发现，大脉冲电流的冲击对视频信号产生了明显的横纹干扰；如果在传输回路中串入双向二极管，则消除了干扰。以下是整个分析过程。

图8 带有模拟视频的控制系统框图

如图8所示，控制系统包含供电电源、设备1、设备2、系统控制台、显示终端5部分。

供电电源负责为整个系统供电，为24 V电源或电池；设备1内部有模拟视频信号输出，且24 V-与视频地共地，工作时有脉冲大电流冲击；系统控制台内部包含二次隔离电源转换电路，视频处理电路，对外控制电路，两个电路共用VCC供电；设备2工作电源为24 V，并需要与系统控制台进行TTL数字通讯，所以系统控制台中需要24 V-与GND建立电流连接，采用短路连接或者串入双向二极管两种连接方式；显示终端用来显示系统的视频信息。

4.2干扰转移分析

如图8所示，系统供电：由供电电源通过供电线1供电给系统控制台，由控制台通过供电线2给设备1供电。

计算供电线2的电阻值：

假设供电线2采用0.35 mm2的2根（24 V+和24 V-各两根）多头铜导线供电，电缆线长度0.7 m，电阻为0.017 Ω。

设备2的脉冲电流为15 A左右，则供电线2的电缆压降为0.255 V左右。以系统控制台上的A点为参考点，测量设备1的A点，即测量供电线2的24V-回路的压降，测的电压波形示意如图9所示，其中T为设备2脉冲电流的周期。

图9 设备1有脉冲电流时，供电线2压降波形示意

可将图8的工程实践系统与理论分析的系统模型图3对应如表1所示。

从上述理论分析已经得到，如果设备B和设备C的信号直接连接，根据式（2）可得，系统中供电线2的压降都叠加到模拟视频传输中，对视频图像造成了干扰。如果在设备B和设备C中串入双向二极管，则把对模拟视频的的低电压干扰转移到数字电路，数字通讯为TTL电平通讯，干扰门槛电压远大于供电线2的压降，对数字通讯不受影响。

表1 理论模型与实际系统的对照表

5 结论

针对带有电源脉动电流的系统，对模拟小信号的干扰进行了深入的分析，提出了一种利用二极管伏安特性来转移低电平干扰的方法，并在实际工程中加以应用验证，采用极低成本解决了问题，取得了良好的效果，该方法在类似系统中有良好的推广应用价值。

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Transfer Low Level Jamming Using Current-Voltage Characteristic of Diode

XUE Hong-ping，LI Ying-xing，WEI Yong-yu，ZHANG Jian-hong，JIN Yu
（North Automatic Control Technology Institue，Taiyuan 030006，China）

According to electromagnetic compatibility（EMC）problem of certain electro-optical system，especially the problem of ground wire interference caused by power pulse current，a methord that using of current-voltage characteristic of diode to resolve these prolems is raised.In actual system，the methord completely eliminates the interference of these EMC problems with good costeffectiveness，has good promotion and application value.

electro-optical system，EMC，pulse jamming，diode

TN31

A

1002-0640（2016）11-0167-04

2015-10-12

2015-11-16

薛红平（1980-），男，山西稷山人，高级工程师。研究方向：侦察指挥。