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      電子設(shè)備電磁兼容中的EFT優(yōu)化電感設(shè)計(jì)

      發(fā)布時(shí)間:2021-04-25 14:18:08 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

      電快速瞬變脈沖群(EFT)試驗(yàn)是指一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號(hào)和控制端口的試驗(yàn).由于騷擾信號(hào)不是單個(gè)脈沖,而是一連串的脈沖群具有上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間短、幅值和重復(fù)頻率高等特點(diǎn),電子設(shè)備長期以來難以克服.為了減低不必要的危害,有必要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行EFT抑制.傳統(tǒng)的EFT抑制方法主要是采取加載濾波器的方式[1,2],但由于參數(shù)選擇不當(dāng),往往導(dǎo)致濾波器體積較大且抑制效果不理想.本文主要討論如何選取新型鐵芯材料繞制電感,減小濾波器體積,并且實(shí)現(xiàn)濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).
      1電快速瞬變脈沖群機(jī)理描述
      脈沖群發(fā)生器[3]的基本線路和波形如圖1所示.經(jīng)由挑選的電路元件Cs,Rs,Rm和Cd,使發(fā)生器在開路和接50Ω負(fù)載的條件下產(chǎn)生一個(gè)快速瞬變.信號(hào)發(fā)生器的有效輸出阻抗為50Ω.

      速瞬變脈沖群發(fā)生器電路圖

      其中,U為高壓源;Rc為充電電阻;Cs為儲(chǔ)能電容器;Rs為脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻;Rm為阻抗匹配電阻;Cd為隔直電容.
      GB/T17626.4-1998規(guī)定的EFT脈沖為雙指數(shù)波形,上升時(shí)間為5ns,持續(xù)時(shí)間為50ns,每個(gè)脈沖能量為4mJ,脈沖群持續(xù)時(shí)間為15ms,脈沖群周期為300ms,重復(fù)頻率為2.5kHz(對(duì)4kV測(cè)試等級(jí))或5kHz(對(duì)其他測(cè)試等級(jí)),其波形如圖2、圖3所示:

      脈沖群發(fā)生器波形圖

      2電子設(shè)備EFT干擾抑制研究
      對(duì)于EFT的濾波抑制[4-7],往往最簡單的方式是加鐵氧體磁環(huán)濾波器.鐵氧體一般做成中空型,導(dǎo)線穿過其中.當(dāng)導(dǎo)線中的電流穿過鐵氧體時(shí)低頻電流幾乎無衰減地通過,但高頻電流卻會(huì)受到很大的損耗,轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā),所以鐵氧體和穿過其中的導(dǎo)線即成為吸收式低通濾波器,對(duì)于EFT能起到一定的抑制作用.然而,對(duì)于群脈沖的抑制,往往單加鐵氧體磁環(huán)濾波器還不夠,設(shè)計(jì)常規(guī)濾波器是抑制群脈沖最有效手段之一.濾波器常用于傳導(dǎo)EMI噪聲的濾除,根據(jù)通常設(shè)計(jì)傳導(dǎo)EMI濾波器的經(jīng)驗(yàn),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)常規(guī)的EMI濾波器.通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)對(duì)于EFT的抑制效果不是很佳,可見EFT濾波器是有別于傳統(tǒng)EMI濾波器的.由于EFT的頻帶極寬,且幅值較大,所以對(duì)濾波器的要求也不一樣.結(jié)合相關(guān)理論,參考前人的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出了如圖4所示的濾波器.通過調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的參數(shù),發(fā)現(xiàn)電感和電容的取值影響很大.經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),火線、零線的電容值取C1、C2取20nF左右,火線和地線、零線和地線的值取C3、C4取5nF左右,同時(shí)共模扼流圈N1、N2電感取2mH左右時(shí)抑制噪聲信號(hào)較為理想.

      脈沖群抑制濾波器

      由于2mH電感值過大,導(dǎo)致使用鐵氧體磁環(huán)繞制電感時(shí)體積過大.既浪費(fèi)材料,又因?yàn)轶w積過大,不便于固定安裝,且有些儀器設(shè)計(jì)體積較小,沒有足夠的空間裝載濾波器.有鑒于此:本文采用新型材料鐵氧體磁環(huán)繞制濾波器來抑制EFT干擾.鐵氧體是一種立方晶格結(jié)構(gòu)的亞鐵磁性材料.磁導(dǎo)率為復(fù)數(shù),即μ=μ'-jμ″,實(shí)部為磁能的存儲(chǔ)(相當(dāng)于電感),虛部為磁能的損耗(相當(dāng)于電阻),在1GHz以下,
      隨著頻率的增加而增加.因此,磁環(huán)阻抗可等效為磁芯電感LF與磁芯損耗電阻RF組成的串聯(lián)電路,其中:LF與RF都是頻率的函數(shù),如圖4所示,磁環(huán)等效阻抗為:

      在低頻段,阻抗由電感的感抗構(gòu)成RF(ω)很小,磁導(dǎo)率較高,電感量較大,LF(ω)起主要作用,電磁干擾被反射而受到抑制,且磁環(huán)的損耗較小,磁環(huán)可認(rèn)為是一個(gè)低損耗、高品質(zhì)因數(shù)的電感.在高頻段,阻抗由電阻成分構(gòu)成,隨著頻率升高,磁導(dǎo)率降低,電感量減?。欢怒h(huán)的損耗增加,電阻成分增加,導(dǎo)致總的阻抗增加,當(dāng)高頻信號(hào)通過鐵氧體時(shí),電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉.因此,采用磁環(huán)可以增加電力載波通訊線纜中的高頻阻抗以減小共模電流,從而抑制輻射干擾噪聲.理論表明磁珠的阻抗與材料和尺寸有關(guān):

      式中:K是阻抗比例因數(shù);L是磁珠長度;OD是磁珠外徑;ID是磁珠內(nèi)徑;N是磁珠上導(dǎo)線的匝數(shù).因此,根據(jù)式(1),(2),磁環(huán)高頻等效電路以及阻抗模型即可根據(jù)不同的輻射場特性設(shè)計(jì)有效的噪聲抑制方案.
      3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
      為了驗(yàn)證基于新型材料鐵氧體磁環(huán)即高磁導(dǎo)率磁環(huán)設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)于抑制EFT干擾的有效性,我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn):針對(duì)某公司的DOUBLETBW2105稱重控制器電快速瞬變脈沖群不達(dá)標(biāo)問題,進(jìn)行了整改抑制.
      首先,我們采用普通材料磁環(huán)繞制電感并設(shè)計(jì)濾波器,雖然能夠達(dá)到設(shè)計(jì)效果,使稱重控制器通過江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試.但是由于電感值較大,導(dǎo)致濾波器體積過大,不便于安裝,且浪費(fèi)材料和空間.
      根據(jù)上述理論分析,我們選取新型超微晶材料制作的鐵氧體磁環(huán)繞制電感,可以在很少的繞制圈數(shù)情況下,達(dá)到足夠的電感值.同時(shí),能夠通過江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試.兩種材料繞制電感、設(shè)計(jì)的濾波器如圖6、圖7所示.

      兩種材料繞制電感、設(shè)計(jì)的濾波器圖

      4結(jié)論
      本文利用超微晶材料鐵氧體磁環(huán)設(shè)計(jì)濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)EFT干擾的抑制,克服了現(xiàn)有濾波器體積較大以及電容、電感實(shí)際選取較難控制等問題.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:使用超微晶材料繞制電感并設(shè)計(jì)濾波器,能夠使設(shè)備通過電快速瞬變脈沖群標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè),并且減少材料的損耗,節(jié)省空間.

       

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