雷电电磁脉冲下电源防护电路设计

马世川 王亚杰 蒋 丹 谢 斌

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着电子信息技术的迅速发展，系统内电子器件越来越复杂，也越来越容易受到强电磁环境的干扰，导致电子系统瘫痪。对于一般的电子设备而言，通常由金属外壳屏蔽掉外界强电磁脉冲，但电子设备不会被金属外壳完全包围，电源线、信号线等线缆会穿过金属外壳与其他设备相连，暴露在外的线缆在强电磁脉冲环境下会产生耦合电压/电流，耦合电压/电流沿着线缆进入到电子设备内部电子电路上，对电子设备造成毁伤。

雷电是自然界中最常见的放电现象，雷电电磁脉冲对电子系统的毁伤效应分为直接效应和间接效应两种，直接效应是雷电直接作用于电子系统，间接效应是通过静电感应、电磁感应等间接作用于电子系统。对于一般的电子设备而言，大都因雷电的间接效应对系统造成干扰或毁伤。由于雷电电磁脉冲频带很宽，且大部分能量都集中在低频段，因此对于普通的屏蔽材料仍然有很强的穿透力，通常情况下，雷电电磁脉冲通过线缆耦合进入系统对设备的干扰或毁伤更严重。

本文主要设计了电源防护电路，加装在电源前端，当雷电电磁脉冲耦合到电源线上时，防护电路迅速作用，对形成的过电压、过电流进行泄漏，保护电源系统不受干扰或毁伤。由于雷电电磁脉冲大部分能量处于低频段，与电源工作频率相近，故在防护电路上加了滤波电路，并焊接电路进行了测试。

1 电源防护电路设计

本文主要针对28 V直流电源模块进行雷电电磁脉冲防护设计，主要目的是保护电源模块在雷电电磁脉冲环境下能正常工作，不受干扰或毁伤。

由于电源线是直接暴露在强电磁环境下的，雷电电磁脉冲可通过耦合到电源线上的耦合电压/电流对电源器件作用，对其造成毁伤效应，因此需要设计瞬态抑制电路对耦合到电源线上的能量进行泄放。另外，雷电电磁脉冲主要处于低频段，与电源工作频段相接近，因此需通过滤波器来抑制雷电电磁脉冲的干扰。最后在滤波器末端增加二级防护，对残余电压进一步限制，以达到保护电源的目的。电源防护电路设计框图如图1所示。

图1 电源防护电路设计框图

1.1 防护电路

雷电电磁脉冲防护电路主要是由瞬态器件搭建而成，瞬态器件包括气体放电管(GDT)、压敏电阻(MOV)、瞬态抑制二极管(TVS)、半导体放电管(TSS)等。

气体放电管是最早的电路保护元器件，在防雷保护设备中被广泛应用，其原理是利用气体电离形成负阻效应，当外加电压增加到某一值时，放电管两极被击穿，发生气体放电，属于开关型器件，其伏安特性曲线如图2所示。气体放电管的主要性能参数有：直流击穿电压、脉冲击穿电压、响应时间、耐受电流、极间电容等。气体放电管的优点在于过电流大，可达到几十kA，且极间电容小，一般不大于10 pF，但其响应速度慢(μs级)，残压高，因此适合于初级防雷保护，用于形成能量泄放通道。

图2 气体放电管的伏安特性曲线

瞬态抑制二极管简称为TVS管，其伏安特性曲线如图3所示，当浪涌电压冲击时，TVS两极间的电压由额定反向电压上升到，随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值，同时其两端的电压被限制在最大箝位电压以下，随着脉冲电流的衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最终恢复到常态。因此在选用TVS管时，其额定反向电压应大于被保护电路的工作电压，而最大箝位电压应小于被保护电路的损坏电压。TVS管的优点在于响应时间快(ps级)，箝位电压低，但通流容量小，适用于浪涌电流不是很大的电路，作为比较精准的过电压保护。

图3 TVS管伏安特性曲线

从上述比较可以看出，为了兼顾雷电防护泄放能量高、残压低的需求，单独一种瞬态器件不足以保护电路，在实际应用中，通常会选取两到三种瞬态器件构成防护电路。综合雷电电磁脉冲的幅值、脉宽、上升时间等因素，本文采用气体放电管和瞬态抑制二极管两种瞬态器件组合作为第一级防护电路，选取更小箝位电压的瞬态抑制二极管作为第二级防护电路。防护电路图如图4所示。

图4 防护电路图

1.2 滤波电路

电源滤波器实际上是一种低通滤波器，它能够毫无衰减地把直流、50 Hz或低频电源功率传送给用电设备，却大大衰减经电源线传入的干扰信号，保护设备免受危害。电源线上的干扰分为共模干扰和差模干扰两类，共模干扰是指电源线与参考地之间的电位差，差模干扰是指电源相线—中线中的电位差。

共模干扰信号采用共模滤波器，等效电路如图5所示。共模滤波器的衰减在低频主要由电感器产生，而在高频大部分由电容器实现。由于存在高源阻抗，所以在滤除共模干扰过程中，应采用大电容的电容。

图5 共模滤波电路

差模干扰信号采用差模滤波器，等效电路如图6所示。电感器对差模干扰产生衰减，并联电容器旁路差模干扰电流并防止它们到达负载。

图6 差模滤波电路

实际上，电源线上一般同时存在共模干扰和差模干扰，因此实际上的电源滤波器是由共模滤波器和差模滤波器组合构成的滤波器。当雷电电磁脉冲耦合到电源线上时，首先通过第一级瞬态防护电路对过电压进行抑制，降低雷电电磁脉冲过电压的幅值，旁路掉雷电电磁脉冲的一部分能量，这样确保进入滤波电路的干扰信号能够正常衰减，不至于损坏滤波器件，滤波电路对雷电电磁脉冲进一步滤波衰减，最后进入第二级防护电路，将雷电电磁脉冲衰减到电源工作电压，保护电源电路正常工作。雷电电磁脉冲下电源防护电路图如图7所示。

1.3 防护电路器件选择方法

在实际应用中，要根据电磁脉冲特性、防护器件的技术参数、被防护对象的特点来选择瞬态抑制器件，可参照以下几个原则：

1)根据电磁脉冲源的上升沿确定瞬态抑制器的响应时间，根据脉冲源的幅值及脉宽确定瞬态抑制器的通流量。

2)根据被防护对象的特点，确定其对干扰的敏感程度。

3)根据被防护电路的工作电压确定所选瞬态抑制器的箝位电压，可以考虑组合使用防护器件。

下面以TVS为例简要介绍参数选择计算方法。

首先由脉冲源的电压、电流峰值计算出输入端阻抗为

(1)

其中，为输入阻抗，、为注入电压、电流峰值。设要求箝位电压为，则TVS的脉冲峰值电流为

(2)

图7 电源防护电路

其峰值功率为峰值电流与箝位电压的乘积。一般而言，TVS管在强电磁脉冲作用下的实际箝位电压并不等于标称箝位电压，而是与流过TVS管的峰值电流相关。

(3)

其中，为实际箝位电压；为流过电流；为最大峰值脉冲电流；max为最大箝位电压；为击穿电压上限值。

对于滤波器而言，主要性能指标是插入损耗，由式(4)表示为

(4)

其中，表示插入损耗；表示信号源与负载阻抗之间没有接入滤波器时，负载阻抗上产生的电压；表示信号源与负载阻抗之间接入滤波器时，在同一负载阻抗上产生的电压。

滤波器接入前、后的电路如图8所示，由图8(a)可得

(5)

对于图8(b)，采用参数表示滤波器网络，其参数矩阵为式(6)所示。

图8 滤波器接入前、后图

(6)

图8(b)网络的传输方程为

护理结束后，观察组患者的护理总有效率为临96.43%，而对照组护理总有效率为64.29%，差异有统计学意义（x2=4.141，P＜0.05），组间差异明显，差异有统计学意义。见表1。

(7)

且

(8)

联立式(7)和式(8)可得

(9)

将式(9)和式(5)代入式(4)可得

(10)

设某个频点处要求达到的插入损耗为，滤波器的衰减倍数为，则截止频率为

(11)

2 电源防护电路试验测试

按图7所示电路图焊接了实际电路，并根据标准RTCA DO-160G规定进行了试验测试。标准RTCA DO-160G雷电感应瞬态敏感度试验规定，被试设备应满足针脚注入试验中波形4和5A的等级3、4波形参数要求，具体如表1所示。

表1 雷电感应瞬态敏感度试验等级要求

其中，波形4和5A均按照线对地注入试验进行，因雷电试验属于损坏性试验，故先进行等级3注入试验，确保样品正常后再进行等级4注入试验。波形4和5A波形参数分别如图9、图10所示。

图9 雷电感应瞬态敏感度试验波形4

图10 雷电感应瞬态敏感度试验波形5A

雷电感应瞬态敏感度试验采用针脚注入试验方法，施加在针脚与设备外壳之间，测试原理图如图11所示，雷电注入试验现场布置如图12所示。

图11 雷电感应瞬态敏感度试验原理图

图12 雷电注入试验现场布置图

在雷电注入试验前，先对电源防护模块进行测试，确保其工作正常，然后记录雷电脉冲信号发生器的输出波形，确保其波形正常，以便与试验后波形分析比较。在进行雷电注入试验时，按照图12配置，完成电源防护模块接线，使用短线将校准点连接到电源防护模块输入端针脚，首先选用波形4/等级3进行试验，对其进行10次注入，记录防护模块输出后的波形及其工作状态，然后依次按照波形4/等级4、波形5A/等级3、波形5A/等级4进行设置，完成所有的测试。雷电脉冲信号发生器的输出波形如图13所示，不同波形、不同等级下电源防护模块输出波形如图14所示，电源防护模块对不同等级雷电的箝位电压及试验后的工作状态如表2所示。

图13 雷电脉冲信号发生器输出波形

图14 电源防护模块雷电测试输出波形

表2 电源防护模块试验数据统计表

如表2所示，电源防护模块对雷电电磁脉冲的箝位电压最大为59.2 V，而电源模块损坏电压为标准电压的2倍，故认为电源防护模块可满足波形4/等级3、波形4/等级4、波形5A/等级3、波形5A/等级4雷电防护要求。

3 结束语

本文设计了一种雷电电磁脉冲下的电源防护电路，采用二级瞬态防护电路和滤波电路的组合，其中瞬态防护电路对耦合到电源线上的过电流、过电压进行箝位和泄放，滤波电路对干扰信号加以抑制。实际焊接了设计的电源防护电路，并进行了雷电感应瞬态敏感度试验测试，对雷电电磁脉冲的钳位电压最大为59.2V，可满足波形4/等级3、波形4/等级4、波形5/等级3、波形5/等级4雷电防护要求。可见，该电源防护电路可对雷电电磁脉冲进行衰减，可以有效保护直流电源。