淺談電快速瞬變脈沖群干擾的綜合抑制

王丁

摘要：在常規(guī)用電設(shè)備的設(shè)計(jì)以及使用過程中，電快速瞬變脈沖群是電磁干擾中一種重要的瞬態(tài)干擾源，嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的正常使用。由于當(dāng)前電氣設(shè)備的自動化水平不斷提高，電氣設(shè)備所處的電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，對其所能承受的電磁干擾的能力提出了更高要求。本文針對電快速瞬變脈沖群干擾的主要特征，提出了抑制電快速瞬變脈沖群的改進(jìn)方法和相關(guān)技巧，為之后的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)人員或者使用人員提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電快速瞬變脈沖群;抗擾度;綜合抑制

1、引言

隨著當(dāng)前電氣及電子設(shè)備的精密程度和自動化智能技術(shù)的水平越來越高，設(shè)備的集成程度和功能應(yīng)用也呈日益強(qiáng)大趨勢，但同時(shí)也面臨著越趨脆弱和敏感的風(fēng)險(xiǎn)。電氣及電子設(shè)備在電力系統(tǒng)的常態(tài)運(yùn)行環(huán)境中，以所受到的電磁干擾的影響最大，所以需要提高設(shè)備的抗各種瞬態(tài)脈沖干擾的能力。經(jīng)典的電磁干擾試驗(yàn)中，電快速瞬變脈沖群由于本身頻率高、頻譜寬且持續(xù)時(shí)間相對較短的特點(diǎn)，經(jīng)常性的造成電氣或電子設(shè)備的復(fù)位、死機(jī)、誤動作、屏幕閃爍、通訊中斷、按鍵失靈等各種現(xiàn)象，所以對電力系統(tǒng)中電氣或電子設(shè)備造成的危害和影響最大、隱患最高。因此如何對電快速瞬脈沖群造成的干擾進(jìn)行有效的抑制成了當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文從電快速瞬脈沖群干擾產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)理、特點(diǎn)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的角度出發(fā)，提出一些切實(shí)可行的綜合抑制和降低電快速瞬脈沖群干擾的方法。

2、電快速瞬變脈沖群

2.1簡要概述

電快速瞬變脈沖群一般在電路中一些開關(guān)切換的瞬態(tài)過程中產(chǎn)生，例如繼電器的觸點(diǎn)發(fā)生彈跳，斷開感性負(fù)載的時(shí)候等，而在此過程中產(chǎn)生的電快速瞬干擾脈沖群，一般具有重復(fù)的頻率較高、脈沖都是成群出現(xiàn)、單脈沖能量較低、脈沖上升速率快等特點(diǎn)[1]。另外，這種干擾脈沖在不同的應(yīng)用環(huán)境中，脈沖強(qiáng)度和時(shí)域也呈現(xiàn)出不同的趨勢，從而也在一定程度上造成了對不同電氣或電子設(shè)備影響的差異性。

為了對電氣和電子設(shè)備對受到的脈沖群干擾時(shí)的承受能力進(jìn)行系統(tǒng)和準(zhǔn)確的評估，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會制定了GBT17626.4-2018中對設(shè)備電源端口，控制端口、信號端口和接地端口進(jìn)行電快速瞬變試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該優(yōu)先采用的試驗(yàn)等級都有詳細(xì)的規(guī)定（見表1），具體檢測時(shí)需要按照實(shí)際等級及廠家要求進(jìn)行。

另外，圖1是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖群波形概略圖;圖2是信號發(fā)生器的有效阻抗在50Ω時(shí)的單個脈沖波形的示意圖，具體的一些參數(shù)如下：

（1）單個脈沖的上升時(shí)間：5（誤差1±30%）ns;

（2）單個脈沖的持續(xù)時(shí)間：50（誤差1±30%）ns（50%值）;

（3）脈沖的重復(fù)頻率：5kHz;100kHz;

（4）脈沖群的持續(xù)時(shí)間：5kHz時(shí)，15（誤差1±20%）ms;100kHz時(shí)，0.75（誤差1±20%）ms;

（5） 脈沖群的重復(fù)周期：300（誤差1±20%）ms。

2.2 電快速瞬變脈沖群的基本特征

電快速瞬變脈沖群由于是瞬態(tài)過程，而且剛開始時(shí)，由于開關(guān)或觸點(diǎn)的間隙較小，產(chǎn)生的脈沖電壓呈現(xiàn)出幅值較低，頻率較高的特點(diǎn);但隨著開關(guān)或觸點(diǎn)之間縫隙的變大，產(chǎn)生的脈沖又再次呈現(xiàn)電壓幅值變大，頻率降低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會保持到不再產(chǎn)生電弧重燃為止[2]。

在一些試驗(yàn)的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)中，當(dāng)脈沖頻率在10KHZ至1MHZ范圍之內(nèi)時(shí)，脈沖的電壓幅值有時(shí)候能夠達(dá)到高壓5kV，而電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)就是為了模擬上述產(chǎn)生的這種暫態(tài)干擾。在GB/T17626.4-2008標(biāo)準(zhǔn)中，電快速瞬變脈沖進(jìn)行了如下定義，詳見公式1，

3綜合抑制方案

目前，電快速瞬變脈沖群的綜合抑制的方案有很多，例如濾波器設(shè)計(jì)，過電壓抑制器件設(shè)計(jì)，RC保護(hù)設(shè)計(jì)以及分布式電源的設(shè)計(jì)方案等都能達(dá)到一定的抑制電快速瞬變脈沖群的預(yù)期效果，使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選取，以下將對上述四種方案進(jìn)行簡要分析。

3.1濾波器設(shè)計(jì)

濾波器若在設(shè)計(jì)時(shí)處于接地良好，布線合理，雜散電容充分減少的情況下，是可以實(shí)現(xiàn)良好的抑制效果的。但是基于電快速瞬變脈沖群干擾信號具有頻帶寬的特性，因此常見普通的濾波器一般很難有效的抑制干擾。

常規(guī)電磁兼容試驗(yàn)中，電快速瞬變脈沖群施加干擾時(shí)，一般分差模和共模兩種干擾信號。差模干擾信號，由于其干擾的頻率低、幅值小且是一種對稱性的干擾，因此對設(shè)備的影響不是很大，而共模的干擾信號頻率高、幅值大，是一種非對稱的干擾，從而對設(shè)備的影響會比差模的要大。從上可以看出，濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以重點(diǎn)考慮濾除高頻的共模干擾信號，然后再對差模干擾信號進(jìn)行有效濾除。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇低通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是由于低通濾波器對高頻信號有較大衰減，但對低頻信號如50Hz市電電流或者直流電卻可以順利通過，另外，低通濾波器也能及較好的濾除差模信號。

濾波器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中L1和L2為共模電感（即共模扼流圈），一般采取鐵氧體做磁芯同時(shí)雙線反向并繞。因此，濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其可以有效的達(dá)到抑制高頻共模干擾信號的作用，從而達(dá)到濾波的目的，此外共模電感還可以抑制自身對外發(fā)出電磁干擾，避免影響其他設(shè)備電路工作。另外，繞組線圈間存在一定的間隙，也會產(chǎn)生差模電感，因此這種設(shè)計(jì)也能對差模干擾信號達(dá)到抑制的效果。在電路中，差模干擾信號通過電容C1和C2進(jìn)行抑制（C1和C2容量為0.01～0.047μF），共模干擾信號主要通過電容C3和C4來抑制（C3和C4容量為0.047～0.1uF）。

3.2過電壓抑制器件

過電壓抑制器對電快速瞬變脈沖群也有一定的抑制作用。其中過電壓抑制器件常見的有瞬態(tài)電壓抑制二極管和壓敏電阻，二者均對電快速瞬變脈沖群信號有抑制作用，當(dāng)其兩端電壓超過限定值之后，阻抗會快速下降，此時(shí)只允許通過大電流，從而瀉除干擾并將兩端電壓控制在一定范圍之內(nèi)。不過一般壓敏電阻的響應(yīng)速度為ns級別，比較慢，而瞬態(tài)電壓抑制二極管為ps級別，響應(yīng)速度比較快，所以在評價(jià)抑制電快速的瞬態(tài)干擾時(shí)的效果時(shí)，認(rèn)為瞬態(tài)電壓抑制二極管的效果更優(yōu)。

3.3 RC保護(hù)裝置

另外，可以在一次回路中，對電源增加RC保護(hù)裝置。增加RC保護(hù)的目的，一是降低干擾信號的電壓幅值，這是利用了RC電路本身的吸收作用;二是可以利用電源與RC串聯(lián)之后的吸收和緩沖作用，可以在一定程度上消除開關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧。

3.4分布式電源

一般電氣或電子設(shè)備的系統(tǒng)供電會優(yōu)先選擇分布式電源系統(tǒng)，而不會使用集中式電源系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中，針對不同設(shè)備，根據(jù)其部件，電路板，電路，都會使用不同的電源進(jìn)行供電。尤其是要完全分離低頻電路和高頻電路，以及低功率負(fù)載和高功率負(fù)載的供電線路。當(dāng)經(jīng)過濾波后的電源進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過DC-DC模塊進(jìn)行降壓處理，之后再用于驅(qū)動各部分電路正常工作。因此，采用相對獨(dú)立的電源模塊，并分時(shí)啟動不同的負(fù)載，不但減少了大電流傳輸線路提高系統(tǒng)的安全可靠性，又減少了大電流沖擊，這對降低電快速瞬變脈沖群干擾信號幅值有很好的效果。

4、結(jié)語

由于在電磁干擾的設(shè)計(jì)過程中，電快速瞬變脈沖群一般很難達(dá)到被有效的濾除和抑制，并且，在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求中對電快速脈沖群的試驗(yàn)等級測試也是相當(dāng)嚴(yán)格的，因此需要對電氣或電子設(shè)備的抗干擾能力進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)和考慮。本文先對電快速瞬變脈沖群的基本概念、發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了一些簡單介紹，然后基于電快速瞬變脈沖群的特點(diǎn)，提出了幾種抑制脈沖的綜合抑制方案，從而在一定程度上達(dá)到了抑制電快速瞬變脈沖群干擾的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]陳武龍.民用電子產(chǎn)品電磁兼容分析及干擾控制[M].華南理工大學(xué).2008

[2]呂實(shí)誠;郭樹楷.基于ARM的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息.2010（10）：51.