專利名稱：具有抗電磁干擾和瞬變抑制功能的濾波模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及濾波模塊，更具體而言，涉及具有抗電磁干擾和電磁抗擾性功能 的濾波模塊。
背景技術(shù)：
電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)線路上，經(jīng)常會受到外界瞬時過電壓的干擾，這些干擾源主要包 括由于通斷感性負(fù)載或啟停大功率負(fù)載，線路故障等產(chǎn)生的操作過電壓；由于雷電等自 然現(xiàn)象引起的雷電浪涌。這種過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流)，是一種瞬 變干擾。浪涌電壓會嚴(yán)重危害電子系統(tǒng)的安全工作。消除浪涌噪聲干擾，防止浪涌危害一 直是關(guān)系電子設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心問題。為了避免浪涌電壓損害電子設(shè)備，一般采用 分流防御措施，即將浪涌電壓在非常短的時間內(nèi)與大地短接，使浪涌電流分流入地，達(dá)到削 弱和消除過電壓、過電流的目的，從而起到保護(hù)電子設(shè)備安全運(yùn)行的作用。目前，電磁干擾濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的最重要手段并已廣泛應(yīng)用于各類軍事裝 備和民用設(shè)備中。傳統(tǒng)的電磁干擾濾波器采用的浪涌抑制器件一般為氣體放電管、瞬態(tài)電 壓抑制器、硅二極管等。這些器件的工作原理不同，但有相似的伏安特性，即兩端電壓低于 規(guī)定電壓時，通過電流很小，而當(dāng)兩端電壓高于規(guī)定電壓后，通過電流會呈指數(shù)規(guī)律增長。 這一伏安特性使其能同時滿足浪涌抑制瀉流和限幅的要求，因而也就成為浪涌抑制的主導(dǎo) 器件。單獨(dú)采用上述器件中的一種，雖然都對尖峰電壓有一定的抑制作用，但各自都有 缺點(diǎn)。例如氣體放電管殘壓較高，反應(yīng)時間慢100ns)，動作電壓精度較低，有跟隨電流 (續(xù)流)；而瞬態(tài)電壓抑制器耐流能力差，通流容量小，一般只有幾百安培。因此根據(jù)具體 的應(yīng)用場合，一般采用上述器件中的一個或者幾個的組合來組建相應(yīng)的保護(hù)電路。但是，現(xiàn)有的采用上述器件的電磁干擾濾波器對于持續(xù)幾個毫秒以上的瞬變振 蕩、浪涌電壓以及對于納秒級上升沿的尖峰電壓等的抑制效果都很差，不能同時滿足抑制 上述干擾的要求。而且，現(xiàn)有的濾波裝置體積大，占用空間多。如果需要同時對持續(xù)幾個毫 秒以上的瞬變振蕩、浪涌電壓以及對于納秒級上升沿的尖峰電壓進(jìn)行抑制，則需要購買不 同的抑制器件，導(dǎo)致成本增加。因此，需要一種具有改進(jìn)的組合功能的濾波模塊，對持續(xù)幾個毫秒以上的瞬變振 蕩、浪涌電壓以及對于納秒級上升沿的尖峰電壓等都具有良好的抑制效果，有效提高武器 裝備和民用設(shè)備應(yīng)對復(fù)雜電磁效應(yīng)環(huán)境的能力。并且希望該濾波模塊體積小，成本低，以增 加產(chǎn)品競爭力，從而迅速改變我國目前軍事裝備(系統(tǒng))的落后狀態(tài)。
發(fā)明內(nèi)容因此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠克服上述缺點(diǎn)的濾波模塊。根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的具有組合功能的濾波模塊包括氣體放電管、第一電感La、瞬態(tài)抑制二極管V2、第二電感Lb、第一電容Cl和第二電容C2 ；其中，所述氣體放電管Vl的第一端與所述第一電感La的第一端連接；所述第一電感La 的第二端與所述瞬態(tài)抑制二極管V2的第一端、所述第一電容Cl的第一端和所述第二電感 Lb的第一端均相連；所述第二電感Lb的第二端與所述第二電容C2的第一端連接；所述氣 體放電管Vl的第二端、所述瞬態(tài)抑制二極管V2的第二端、所述第一電容Cl的第二端和所 述第二電容C2的第二端相連接，且均接地；所述氣體放電管Vl的所述第一端和所述第二電 容C2的第一端連接到負(fù)載。因此，本實(shí)用新型通過將尖峰瞬變脈沖抑制、浪涌抑制和EMI抑制三大功能有機(jī) 的整合在同一個抗電磁干擾(EMI)/電磁抗擾度(EMS)組合功能電源濾波裝置中，減小了 實(shí)現(xiàn)同樣效果的體積，降低了用戶的采購成本，提高產(chǎn)品的競爭力。目前國內(nèi)還沒有類似產(chǎn) 品，產(chǎn)品的成功研發(fā)可以填補(bǔ)國內(nèi)產(chǎn)品空白，有效提高武器裝備應(yīng)對復(fù)雜電磁效應(yīng)環(huán)境的 能力，并實(shí)現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)效益。

為了闡釋本實(shí)用新型，下文將參照附圖描述本實(shí)用新型示例性實(shí)施例，其中圖IA示出開關(guān)在斷開瞬間電壓的變化示意圖；圖IB示出電快速瞬變脈沖群產(chǎn)生原理示意圖；圖2A示出單個瞬變脈沖信號的波形示意圖；圖2B示出電快速瞬變脈沖群的重復(fù)頻率示意圖；圖3示出根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的濾波模塊的電路原理圖；圖4示出根據(jù)本實(shí)用的一個新型實(shí)施例的EMI/EMS組合功能直流電源濾波模塊的 插入損耗曲線；圖5示出根據(jù)本實(shí)用的一個新型實(shí)施例的具有EMI/EMS組合功能的直流電源濾波 模塊的外殼尺寸的示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型公開的濾波模塊包括氣體放電管、瞬態(tài)抑制二極管和一級濾波電路， 其中，氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管組合形成尖峰、浪涌抑制電路，而進(jìn)一步與一級濾波電 路的結(jié)合可同時實(shí)現(xiàn)對抑制尖峰、浪涌干擾和傳導(dǎo)干擾的抑制，從而實(shí)現(xiàn)高插入損耗、小體 積無源電磁干擾濾波模塊。如已知的那樣，電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)線路上經(jīng)常會受到外界瞬時信號的干擾，這些外 界瞬時信號例如快速瞬變脈沖群、浪涌信號等等。電快速瞬變脈沖群快速瞬變脈沖群將引起數(shù)字系統(tǒng)的位錯、系統(tǒng)復(fù)位、內(nèi)存錯誤以及死機(jī)等現(xiàn)象。 在IC輸入端，快速瞬變脈沖群對寄生電容充電，經(jīng)過累積，最后達(dá)到并超過IC芯片的抗擾 度電平。可能出現(xiàn)這樣的情況幾個脈沖(或短時間的脈沖群)不會引起數(shù)字系統(tǒng)失效，而 長時間的脈沖群將使裝置失效。微處理器及外圍器件的各個邏輯元件都有相應(yīng)的電平和噪 聲容限，外來噪聲只要不超過這些元件的容限值，系統(tǒng)就能維持正常；一旦侵入系統(tǒng)的噪聲 超過了某種容限，就可能造成微處理器系統(tǒng)出錯，成為裝置誤動、拒動的重要原因。[0024]電快速瞬變脈沖群是在切換感性負(fù)載瞬變過程中產(chǎn)生的，如繼電器觸點(diǎn)彈跳動 作、馬達(dá)、定時器等斷開時引起的一系列短上升時間、高重復(fù)率和低能量的瞬變干擾脈沖 群。圖IA和圖IB以機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)之間放電過程為例示出發(fā)生電快速瞬變脈沖群的物理過 程。圖IA示出開關(guān)在斷開瞬間電壓的變化示意圖，圖IB示出電快速瞬變脈沖群產(chǎn)生原理 示意圖。如圖IA所示，當(dāng)開關(guān)觸點(diǎn)斷開時，由于感性負(fù)載(例如電感)中的電流不能突變， 感性負(fù)載上會產(chǎn)生一個很高的反電動勢來維持原來的電流，根據(jù)楞次定律，這個電動勢E 為E = (ΙΦ/dt =-L(di-dt)其中Φ為電感中的磁通，L為電感，i為電感中流過的電流，t為時間。當(dāng)開關(guān)斷 開時，要維持電感中的電流，只有擊穿觸點(diǎn)之間的空氣，利用電弧來導(dǎo)通。電弧是指當(dāng)加在 氣體上的電場強(qiáng)度較強(qiáng)時，氣體中的自由電子或離子能獲得足夠的能量撞擊其他原子或分 子，產(chǎn)生輝光放電，因此產(chǎn)生更多的自由電子和離子，形成導(dǎo)電氣體。這種輝光放電能產(chǎn)生 很強(qiáng)的電磁輻射。參見圖1B，假設(shè)觸點(diǎn)從、開始逐漸分開，當(dāng)觸點(diǎn)之間的電壓(V1)超過絕緣電壓 時，觸點(diǎn)間發(fā)生火花放電，使觸點(diǎn)間的電壓瞬間下降，、時達(dá)到零。此時由于電感中還存有 能量，觸點(diǎn)間的電壓又開始上升，由于開關(guān)觸點(diǎn)之間距離繼續(xù)增大，所以使觸點(diǎn)間產(chǎn)生火花 放電的電壓也相應(yīng)的增加，當(dāng)觸點(diǎn)間的電壓(V2)再次超過絕緣電壓時，發(fā)生第二次火花放 電。同樣，產(chǎn)生第二次火花放電后觸點(diǎn)間的電壓又瞬間下降，、時達(dá)到零，后又慢慢上升，接 著能產(chǎn)生第三次(V3)、第四次(V4)...火花放電。當(dāng)觸點(diǎn)之間的距離大到一定的程度時，觸 點(diǎn)間能發(fā)生輝光放電，此時電感中的能量全部消耗掉，放電過程結(jié)束。對交流220V電網(wǎng)來 說，這種電快速瞬變脈沖群的電壓幅度能達(dá)到數(shù)千伏之多。在電快速瞬變脈沖群中，單個脈 沖的上升沿在納秒級，脈沖持續(xù)時間在幾十納秒至數(shù)毫秒?？蓞⒁妶D2A和圖2B，其中圖2A 示出單個瞬變脈沖信號的波形示意圖，圖2B示出電快速瞬變脈沖群的重復(fù)頻率示意圖。電快速瞬變脈沖群可能通過電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號端口耦合到設(shè)備的 內(nèi)部電路，影響設(shè)備的正常工作，從而導(dǎo)致設(shè)備及與之相連的系統(tǒng)損壞。電快速瞬變脈沖群 對儀器設(shè)備破壞力很大，特別是對于大功率和敏感的儀器設(shè)備應(yīng)格外注意。浪涌信號浪涌信號是一種沿線傳播的電流、電壓或功率的瞬態(tài)信號，其特點(diǎn)是先快速上升， 然后緩慢下降。浪涌是由開關(guān)和雷電瞬變電壓引起的，其中開關(guān)瞬態(tài)與以下因素有關(guān)主電 源系統(tǒng)切換騷擾，如電容器組的切換；配電系統(tǒng)內(nèi)在儀器附近的輕微開關(guān)活動或者是負(fù)荷 變化；與開關(guān)裝置有關(guān)的諧振電路，如可控硅；各種系統(tǒng)故障，如對設(shè)備組接地系統(tǒng)的短路 和電弧故障等。雷電產(chǎn)生浪涌電壓的原理如下直接雷擊于外部電路，注入的大電流流過接 地電阻或外部電路阻抗而產(chǎn)生電壓；間接雷擊能在建筑物內(nèi)、外導(dǎo)體上感應(yīng)出電壓和電流； 附近直接雷對地放電的雷電入地電流耦合到設(shè)備組接地系統(tǒng)的公共接地路徑。當(dāng)避雷器動 作時，電壓和電流可能發(fā)生迅速變化，并可能耦合到內(nèi)部電路。這些直接注入或耦合到設(shè)備 內(nèi)部的電壓或電流不僅會使設(shè)備損壞，而且相鄰的設(shè)備甚至整個系統(tǒng)都有可能受到影響。氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管雖然工作原理不同，但有相似的伏安特性，即兩端 電壓低于規(guī)定電壓時，通過電流很小，而當(dāng)兩端電壓高于規(guī)定電壓后，通過電流會呈指數(shù)規(guī)律增長。這一伏安特性使其能同時滿足浪涌抑制瀉流和限幅的要求，因此，氣體放電管和瞬 態(tài)抑制二極管常被采用以抑制浪涌信號、電快速瞬變脈沖群等干擾信號。氣體放電管氣體放電管可以用于數(shù)據(jù)線、有線電視、交流電源、電話系統(tǒng)等方面進(jìn)行浪涌保 護(hù)，一般器件電壓范圍從75 10000V，耐沖擊峰值電流20000A，可承受高達(dá)幾千焦耳的放 H1^ ο氣體放電管的主要參數(shù)包括1)反應(yīng)時間指從外加電壓超過擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時間，氣體放電管反應(yīng) 時間一般在μ s數(shù)量極。2)功率容量指氣體放電管所能承受及散發(fā)的最大能量，其定義為在固定的 8 X 20 μ s電流波形下，所能承受及散發(fā)的電流。3)電容量指在特定的IMHz頻率下測得的氣體放電管兩極間電容量。氣體放電管 電容量很小，一般為< lpF。4)直流擊穿電壓當(dāng)外施電壓以500V/S的速率上升，放電管產(chǎn)生火花時的電壓為 擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類和電極 間的距離等因素。5)溫度范圍其工作溫度范圍一般在_55°C +125°C之間。氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)是通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流??；其缺點(diǎn)是，殘壓較高， 反應(yīng)時間慢(< 100ns)，動作電壓精度較低，有跟隨電流(續(xù)流)。瞬態(tài)抑制二極管(TVS)亦稱齊納二極管，是一種專門用于抑制過電壓的器件。其核心部分是具有較大截 面積的PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)工作在雪崩狀態(tài)時，具有較強(qiáng)的脈沖吸收能力。瞬態(tài)抑制二極管的優(yōu)點(diǎn)是殘壓低，動作精度高，反應(yīng)時間快(< 1ns)，無跟隨電流 (續(xù)流)；其缺點(diǎn)是耐流能力差，通流容量小，一般只有幾百安培。本實(shí)用新型的發(fā)明人認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)高插入損耗、小體積無源EMI濾波器的重點(diǎn)是，在 有限體積和額定功率的前提下正確選擇磁芯材料和組成電路的級數(shù)。因此，根據(jù)本實(shí)用新 型的一個實(shí)施例，濾波模塊用作直流電源濾波器，其包括氣體放電管、瞬態(tài)抑制二極管和一 級濾波電路，其中，氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管組合形成尖峰、浪涌抑制電路，而進(jìn)一步 與一級濾波電路的結(jié)合可同時實(shí)現(xiàn)對抑制尖峰、浪涌干擾和傳導(dǎo)干擾的抑制。圖3示出根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的濾波模塊的電路原理圖。如圖所示，電 路左半部采用氣體放電管與瞬態(tài)抑制二極管組合的尖峰、浪涌抑制電路。由于瞬態(tài)抑制二 極管反應(yīng)快但通流量小，氣體放電管通流量大但反映慢且殘壓較高的特點(diǎn)，將兩者組合使 用能夠互相消除對方的缺點(diǎn)，達(dá)到尖峰、浪涌抑制電路達(dá)到設(shè)計要求。電路右半部采用η 型濾波電路，能有效抑制共模干擾，符合GJB 151Α要求。并且可見，該濾波模塊組合了抗電 磁干擾和電磁敏感性(EMS)的功能，具有浪涌和尖峰抑制特性，可使使用該濾波模塊的軍 事裝備或民用設(shè)備滿足GJB151A-97 :CE102、CE107、CS106和GJB1389A等規(guī)范要求。圖3中，Vl表示氣體放電管，La表示第一電感(例如差模電感)，Lb表示第二電 感(例如差模電感)，V2表示瞬態(tài)抑制二極管，Cl表示第一電容(例如貼片電容)，C2表示 第二電容(例如貼片電容)。[0048]具體地，所述氣體放電管Vl的第一端與所述第一電感La的第一端連接；所述第一 電感La的第二端與所述瞬態(tài)抑制二極管V2的第一端、所述第一電容Cl的第一端和所述第 二電感Lb的第一端均相連；所述第二電感Lb的第二端與所述第二電容C2的第一端連接； 所述氣體放電管Vl的第二端、所述瞬態(tài)抑制二極管V2的第二端、所述第一電容Cl的第二 端和所述第二電容C2的第二端相連接，且均連接到地；所述氣體放電管Vl的所述第一端和 所述第二電容C2的第一端連接到負(fù)載。該濾波模塊的工作溫度范圍為-55°C +105°C /_85°C +125°C，其額定電壓為 28/VDC，額定電流為 3A，在 500KHz、40dB 和 lMHz、50dB 時衰減。圖4示出根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的EMI/EMS組合功能直流電源濾波模塊的插入損 耗曲線。由于濾波模塊電路的兩根相線分別為正和地，所以插入損耗只有共模插入損耗，無 差模插入損耗。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的濾波模塊的浪涌抑制特性如下最大線路電流3A， 最大線電壓28VDC，漏電流(額定電壓時)<0. 1mA，標(biāo)稱放電電流(8/20 μ s，IOtimes) 10KA，最大放電電流(8/20 μ s，ltimes) :20ΚΑ，工作溫度-25°C _+85°C，保護(hù)器失效短路。另外，為了有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施該濾波模塊，圖5示出具有EMI/EMS組合功 能的直流電源濾波模塊的外殼尺寸的示意圖。雖然在此公開了示例性實(shí)施例，采用了特定術(shù)語，以及具體的元器件名稱和尺寸， 但使用這些術(shù)語和具體的元器件名稱和尺寸僅用于說明的目的和描述目的，而不是用于限 制的目的。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離如所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神 和范圍的情況下，可在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求一種具有抗電磁干擾和瞬變抑制功能的濾波模塊，包括氣體放電管(V1)、第一電感(La)、瞬態(tài)抑制二極管(V2)、第二電感(Lb)、第一電容(C1)和第二電容(C2)；其中，所述氣體放電管(V1)的第一端與所述第一電感(La)的第一端連接；所述第一電感(La)的第二端與所述瞬態(tài)抑制二極管(V2)的第一端、所述第一電容(C1)的第一端和所述第二電感(Lb)的第一端均相連；所述第二電感(Lb)的第二端與所述第二電容(C2)的第一端連接；所述氣體放電管(V1)的第二端、所述瞬態(tài)抑制二極管(V2)的第二端、所述第一電容(C1)的第二端和所述第二電容(C2)的第二端相連接，且均接地；所述氣體放電管(V1)的所述第一端和所述第二電容(C2)的第一端連接到負(fù)載。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種具有抗電磁干擾和瞬變抑制功能的濾波模塊，包括氣體放電管、第一電感、瞬態(tài)抑制二極管、第二電感、第一電容和第二電容；其中，氣體放電管的第一端與第一電感的第一端連接；第一電感的第二端與瞬態(tài)抑制二極管的第一端、第一電容的第一端和第二電感的第一端均相連；第二電感的第二端與第二電容的第一端連接；氣體放電管的第二端、瞬態(tài)抑制二極管的第二端、第一電容的第二端和第二電容的第二端相連接，且均接地；氣體放電管的第一端和第二電容的第一端連接到負(fù)載。濾波模塊具有尖峰瞬變脈沖抑制、浪涌抑制和EMI抑制三大功能，減小了實(shí)現(xiàn)同樣效果的體積，降低了用戶的采購成本，提高產(chǎn)品的競爭力。
文檔編號H02M1/12GK201663544SQ200920278338
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者丁永平, 黨麗, 李子森, 楊寶山, 王添文, 米海濤, 蘇醒, 趙昕萌, 郭艷輝, 馬丹 申請人:北京中北創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司;中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所