本實用新型涉及高功率電磁脈沖防護技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于電源線的高功率電磁脈沖防護模塊。
背景技術(shù)：
高功率電磁脈沖武器的發(fā)展對電子電力系統(tǒng)的安全造成了嚴重的威脅，高功率電磁脈沖具有功率高，脈沖上升時間快，頻帶寬的特點。高功率電磁脈沖可通過信息化設(shè)備的電源線耦合并傳導(dǎo)進入設(shè)備內(nèi)部造成破壞。隨著電子設(shè)備微電子化程度的提高，設(shè)備內(nèi)部半導(dǎo)體器件的耐壓閾值越來越低，針對電源線的傳導(dǎo)騷擾防護引起了越來越多的重視。
使用浪涌防護模塊是抑制設(shè)備傳導(dǎo)騷擾的重要方法，目前浪涌防護技術(shù)在防雷領(lǐng)域應(yīng)用得較為成熟。與雷電相比，高功率電磁脈沖信號在線纜上耦合的騷擾波形，高頻成分更多，時域上具有更快的上升沿，典型波形上升沿為幾納秒，傳統(tǒng)的雷電防護模塊無法有效用于高功率電磁脈沖的防護，電子信息設(shè)備面臨著被高功率電磁脈沖損毀的危險。
目前國內(nèi)針對電源線的高功率電磁脈沖防護多使用暫態(tài)抑制和頻域濾波的方法，相應(yīng)的防護產(chǎn)品有浪涌保護器和電源濾波器等。針對暫態(tài)抑制部分防護器件的選型，多基于經(jīng)驗判斷，缺乏較為深入的研究和方案設(shè)計。針對防護模塊的防護效果，也缺乏有效的試驗檢驗。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是提供一種用于電源線的高功率電磁脈沖防護模塊,在于解決現(xiàn)有防護模塊防護特性不理想，防護器件選型缺乏合適方案和理論依據(jù)等問題。
為了實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：
本實用新型提供了一種用于高功率電磁脈沖防護的綜合模塊，包括時域瞬態(tài)抑制部分和頻域濾波部分，整體使用金屬外殼屏蔽；所述時域瞬態(tài)抑制部分由響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管采用高低配合的方式組合，包括壓敏電阻M、M1、M2、去耦電感L1、L2以及TVS二極管，壓敏電阻M1、M2 用以濾除線地間的共模干擾，壓敏電阻M用以濾除線線間的差模干擾，壓敏電阻輸出端兩端分別通過去耦電感L1、L2和TVS二極管組并聯(lián)，TVS二極管也分為濾除共模干擾和差模干擾的部分，TVS二極管組后接頻域濾波部分；所述的頻域濾波部分由π型濾波和電容濾波相結(jié)合，包括電容C1、C2和電感線圈L，電容C3、C4；電容C1、C2和電感線圈L共同構(gòu)成π型濾波電路，其中電感線圈L繞制成共模扼流圈的形式，電容C3、C4接在線地間用以濾除共模干擾；高功率電磁脈沖到來時，響應(yīng)速度極快的的TVS二極管首先動作，發(fā)揮保護作用，在快前沿脈沖作用下，壓敏電阻兩端電壓會快速升高導(dǎo)致器件動作，起到泄放大部分浪涌能量的作用，電磁脈沖能量進入到頻域濾波部分，通過調(diào)節(jié)濾波器的通頻帶，使得漏過瞬態(tài)抑制模塊的大部分電磁脈沖能量在敏感設(shè)備端口前被有效抑制。
本實用新型具有以下有益效果和優(yōu)點：
本實用新型提供了一種綜合防護模塊，可用于220V電源線的高功率電磁脈沖防護，采用多級防護理念，第一部分為時域瞬態(tài)抑制電路，第二部分為頻域濾波電路。瞬態(tài)抑制部分采用響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管組合，并通過參數(shù)計算選取合適的去耦電感值，調(diào)節(jié)器件間的時間配合和能量配合，使第一部分具有納秒級的響應(yīng)速度和kA級的通流能力。頻域濾波電路采用π型濾波和電容濾波相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)濾波器的通頻帶，使得漏過瞬態(tài)抑制模塊的大部分電磁脈沖能量在敏感設(shè)備端口前被有效抑制?？紤]到高功率電磁脈沖能量較大，頻域濾波電路的電感電容元件選取具有較高耐壓值的器件。使用將時域瞬態(tài)抑制和頻域濾波集成到一個模塊的方法設(shè)計綜合防護模塊，其創(chuàng)新之處在于在典型防護器件納秒脈沖響應(yīng)測試的基礎(chǔ)上，重點對瞬態(tài)抑制電路中防護器件的選取配合規(guī)則和頻域濾波電路的參數(shù)設(shè)計進行了研究，并以220V電源線為例，設(shè)計了一種綜合防護模塊，該模塊經(jīng)根據(jù)IEC標準搭建的試驗系統(tǒng)檢測具有良好的防護效果。
附圖說明
圖1為高功率電磁脈沖防護模塊示意圖。
其中M、M1、M2壓敏電阻型號為S20K550號，TVS二極管型號為HFA-430L號，電感L1=0.5μH，L2=1000μH，C1=C2=25.3μF，C3=C4=253nF。
圖2為第一部分暫態(tài)抑制電路原理圖。
其中R1為壓敏電阻，R2為TVS二極管。
圖3為圖2所示電路的SPICE仿真圖。
圖4為第二部分頻域濾波電路的原理圖。
圖5為圖4所示電路的掃頻分析圖。
圖6為壓敏電阻響應(yīng)曲線。
圖7為TVS二極管響應(yīng)曲線。
圖8為防護模塊高功率電磁脈沖測試系統(tǒng)示意圖。
圖9為防護模塊高功率電磁脈沖注入源波形與殘壓波形對比圖。
圖10為不同電壓脈沖注入下的殘壓圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步說明。
如圖1所示：所述的用于高功率電磁脈沖防護的綜合模塊，包括時域瞬態(tài)抑制部分和頻域濾波部分，整體使用金屬外殼屏蔽；所述時域瞬態(tài)抑制部分包括壓敏電阻M、M1、M2、去耦電感L1、L2以及TVS二極管，壓敏電阻用以濾除線地間的共模干擾和線線間的差模干擾，壓敏電阻輸出端兩端分別通過去耦電感L1、L2和TVS二極管組并聯(lián)， TVS二極管組后接頻域濾波部分；所述的頻域濾波部分包括電容C1、C2和電感線圈L，電容C3、C4，電容C1、C2和電感線圈L共同構(gòu)成π型濾波電路，其中電感線圈L繞制成共模扼流圈的形式，電容C3、C4接在線地間用以濾除共模干擾。
如圖2所示的時域瞬態(tài)抑制部分電路原理圖，高功率電磁脈沖作用到防護電路時，所述的第一部分暫態(tài)抑制電路配合機理為：響應(yīng)速度極快的（小于1ns）的TVS二極管首先動作，發(fā)揮保護作用，此時在去耦電感的作用下，第一級壓敏電阻兩端的電壓等于TVS兩端電壓和電感兩端電壓之和，即U壓敏電阻=UTVS+UL，其中UL=L×di/dt。在快前沿脈沖作用下，di/dt較大，壓敏電阻兩端電壓會快速升高導(dǎo)致器件動作，起到泄放大部分浪涌能量的作用。第二級TVS二極管在導(dǎo)通后可以發(fā)揮精確鉗位的優(yōu)勢，保證被保護設(shè)備兩端電壓在可承受范圍內(nèi)。
以220V電源線為例，本設(shè)計中為了增大暫態(tài)抑制模塊的浪涌泄放能力，防護器件均選用具有較大通流能力的器件。其中壓敏電阻型號為S20K550，動作電壓為910V，最大浪涌通流量為7kA；TVS二極管型號為HFA-430L，動作電壓為440V，最大浪涌通流量為3kA。
所述的級間去耦電感的選取，利用圖2所示的電路圖進行估算。假設(shè)L取值合適，兩種元件均導(dǎo)通后，根據(jù)相關(guān)文獻分析可知，前后兩級的通流量為：
， （1）
式（1）中R1為壓敏電阻阻抗，α為電磁脈沖陡度。可知通流量的分配與脈沖陡度、壓敏電阻阻抗R1和電感L值有關(guān)。采用SPICE軟件仿真分析的方法，搭建圖3所示的仿真電路，調(diào)整L值從0.01μH逐步升高到5μH，監(jiān)測一二級的通流量。當L=0.5μH時，一二級的通流量大致滿足9:1的關(guān)系，符合高低設(shè)計常用的設(shè)計原則。此處確定去耦電感值為L=0.5μH。
如圖4所述的第二部分頻域濾波電路，其主要作用是對電磁脈沖經(jīng)瞬態(tài)保護模塊后信號中高于截止頻率的部分進行衰減。電源線上的干擾包括差模干擾和共模干擾兩種。電磁脈沖的頻譜分布很寬，一般小于100MHz，但是90%以上的能量集中在100kHz以下，因此差模干擾起主要作用，也需兼顧考慮共模干擾的影響。設(shè)計如圖4所示的LC濾波器，要求截止頻率不小于其工作頻率的十倍，且通帶內(nèi)響應(yīng)平坦。
如圖4所述的第二部分頻域濾波電路，其中C1、C2和L共同構(gòu)成π型濾波電路，主要濾除差模干擾信號，L繞制成共模扼流圈的形式，即兩個電感繞在同一個線圈上，圈數(shù)相同，方向相反。C3，C4主要濾除共模干擾。將濾波器截止頻率確定在10kHz，選取L=1000μH，C1=C2=25.3μF，C3=C4=253nF。圖5為仿真得到的截止頻率圖，結(jié)果表明該濾波器轉(zhuǎn)折頻率大約在10kHz左右；對于頻率為100kHz的信號，衰減可以達到40dB以上，具有較好的濾波效果。
第一部分暫態(tài)抑制電路所選用防護器件均經(jīng)過測試，具體測試方法為使用前沿2ns、脈寬（1us-50ns）可調(diào)、幅值0-2kV可調(diào)的方波脈沖信號源，對常用防護器件中響應(yīng)速度較快的壓敏電阻和TVS二極管進行注入測試，測試結(jié)果如圖6、圖7所示。可知相比壓敏電阻，TVS二極管具有更快的響應(yīng)速度和更為精確的鉗壓能力，但是由于引線電感等因素影響，前端會出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。據(jù)此，第一部分暫態(tài)抑制電路采用二級防護設(shè)計，采用高低配合的方式，第一級采用通流能力較強的壓敏電阻用以泄放大電流，第二級采用響應(yīng)速度較快、鉗位電壓精確的TVS二極管用以泄放部分電流和精確鉗壓。中間設(shè)計去耦電感，達到一二級間電流分配和抬升第一級電壓的作用。
在實際應(yīng)用時，防護模塊均設(shè)計在PCB板上，注意盡量減小引線電感等雜散參數(shù)的影響，使得該防護模塊發(fā)揮出較好的防護性能。即具有納秒級的響應(yīng)速度和kA級的通流能力，同時具有較低的殘壓水平，盡可能降低對被保護設(shè)備正常工作的影響。
而在對本防護器的防護性能進行檢驗時：
依據(jù)IEC標準建立如圖8所示的方波脈沖注入測試系統(tǒng)，對所研制的綜合防護模塊進行注入測試試驗。分別對比脈沖源波形和經(jīng)過防護模塊后的殘壓波形，來判斷防護模塊的殘壓效果。不斷升高脈沖電壓幅值，進一步檢驗防護模塊的浪涌抑制水平。
如圖9、圖10所示的防護模塊高功率電磁脈沖注入源波形與殘壓波形對比圖以及為不同電壓脈沖注入下的殘壓圖，可知該防護模塊可將前沿為2ns，幅值為1.5kV的電磁脈沖有效地限制在100V以下。隨著外加脈沖電壓幅值的增大，防護模塊殘壓值會變大，但2kV以內(nèi)的電磁脈沖注入時，模塊防護效果均比較理想，最高殘壓值為122V。
本實用新型上述的實施例只是用來幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不脫離本實用新型原理的前提下還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。