正負(fù)干擾抵消電光調(diào)Q干擾消除方法分析

時(shí)間：2016-11-28作者：長(zhǎng)春艾克思科技有限責(zé)任公司瀏覽：166

正負(fù)干擾抵消電光調(diào)Q干擾消除方法分析
高壓窄脈沖干擾消除方法分析*二版
電光調(diào)Q是一種高壓窄脈沖，具有高電壓、大電流、寬頻帶范圍強(qiáng)干擾的特性，電子設(shè)備在如此干擾的環(huán)境中，往往出現(xiàn)死機(jī)、誤動(dòng)作、花屏、甚至燒損等故障，這類故障的形成原因復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的處理故障手段力所不及。一般情況下，電光調(diào)Q形成單向高壓脈沖，雖然采用濾波，屏蔽等手段，能夠降低干擾到原來(lái)的10%；但是任然不能滿足精密測(cè)試的要求；較高等級(jí)的降噪就不能只采用隔離降噪的方法了，而是采用兩個(gè)高壓開關(guān)代替一個(gè)高壓開關(guān)，形成正負(fù)干擾脈沖，兩個(gè)幅度相等，方向相反的脈沖抵消的方式，理論值上是能將干擾完全消除，實(shí)際測(cè)試干擾較低也能降低到3%~5%。
一 窄脈沖頻帶寬度分析
LH-T100模塊具有高壓脈沖速度為5~10nS的特定，高壓恢復(fù)時(shí)間約10uS，輸出退壓波形如圖1所示；
 
圖1 
參考文獻(xiàn)：“基于 MOS開關(guān)的高頻高壓脈沖源中電磁兼容問題研究”一文中，分析了一個(gè)脈沖源的輸出可以視為一個(gè)矩形周期信號(hào), 脈寬110nS , 重復(fù)周期80kHz, 波形如圖2所示。
 
圖2 
對(duì)圖2的波形做傅里葉變換，獲得如圖3所示的頻帶波形；


圖3 
經(jīng)過分析可知, 脈沖信號(hào)的主帶寬為9.1MHz。比一般的低頻率脈沖信號(hào)的主帶寬要高, 同時(shí)由于脈沖信號(hào)幅值為4kV，帶外頻率的干擾也不能忽視, 這樣干擾信號(hào)的頻譜分布范圍較寬。在低頻段其產(chǎn)生的干擾以近場(chǎng)干擾為主, 高頻段以輻射干擾為主, 需要在電磁兼容措施中區(qū)別考慮。
作者使用3DB帶寬及RMS頻率含義，當(dāng)技術(shù)指示從模擬領(lǐng)域轉(zhuǎn)換到數(shù)字領(lǐng)域的時(shí)候，通常需要將頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換成上升時(shí)間。例如，示波器制造商通常會(huì)給每個(gè)垂直放大器標(biāo)出一個(gè)較大工作帶寬，也為每個(gè)探頭號(hào)標(biāo)出相應(yīng)的較大帶寬。但在有些時(shí)候，某些制造商可能采用的是一個(gè)3DB帶寬或一個(gè)RMS帶寬。無(wú)論哪種情況，帶寬和上升時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換都將取決于示波器頻率響應(yīng)曲線的精確波形。通常我們并不需要計(jì)算出一個(gè)精確的上升時(shí)間，針對(duì)本書的使用目的，這里建立了一個(gè)便于使用的近似關(guān)系式，從而可以忽略有關(guān)頻率響應(yīng)精確波形的復(fù)雜細(xì)節(jié)。在下面的變換中，我們將頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換為10~90%上升時(shí)間。無(wú)論我們規(guī)定上升時(shí)間是采用10~90%形式，還是采用脈沖中心低斜率的倒數(shù)，或是標(biāo)準(zhǔn)偏差方法的形式。相對(duì)于高度和定位數(shù)字電路問題時(shí)所需的精確度，其結(jié)果幾乎沒有差別。
F_3db=K/T

F=脈沖響應(yīng)下降3DB時(shí)的頻率值
T=脈沖上升時(shí)間（10~90%）
K=比例常數(shù)，取決于具體的脈沖波形：對(duì)于高斯脈沖，K=0.338：對(duì)于單較型指數(shù)衰減脈沖，K=0.350。
如果我們把脈沖類型從高斯脈沖換成一個(gè)單較型指數(shù)衰減脈沖，*二式中的常數(shù)也相應(yīng)地從0.338變成0.350。對(duì)于大多數(shù)的數(shù)字設(shè)計(jì)，如此細(xì)微的差別完全可以忽略。
電光調(diào)Q的窄脈沖沿大約5nS~10nS；那么使用公式計(jì)算頻帶較大脈沖：
F_(max—3db)=(0.35)/(5*10^-9)=700MHz
較小脈沖頻帶為：

F_(min—3db)=(0.35)/(10*10^-9)=350MHz
所以脈沖干擾能量主要集中在這些頻帶，為做干擾脈沖消除提供了理論基礎(chǔ)。
二  脈沖源傳播路
 
圖4
電磁干擾傳播路徑分為輻射干擾和傳導(dǎo)干擾, 輻射干擾通過空間傳播, 傳導(dǎo)干擾通過電路傳播。經(jīng)過分析可知, 脈沖源中的干擾同樣按照傳播路徑不同可以分為以下幾種:
l 脈沖輸出及開關(guān)電路產(chǎn)生的輻射于擾通過空間傳播, 將影響5V及驅(qū)動(dòng)電路的PCB 線路板及信號(hào)線。
2 MOS開關(guān)模塊產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾將沿線影響5V直流源和觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路。在電磁兼容設(shè)計(jì)中需針對(duì)不同的干擾傳播路徑采取相應(yīng)的抑制措施。
三 脈沖干擾消除措施
3.1 電磁屏蔽
屏蔽分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽是將干擾源限制在一定空間內(nèi)。被動(dòng)屏蔽是對(duì)敏感設(shè)備的保護(hù),將干擾隔離在外。按照屏蔽的場(chǎng)的類型可以分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。其中電屏蔽主要針對(duì)近場(chǎng)包括對(duì)靜電和低頻電場(chǎng)的屏蔽; 磁屏蔽是對(duì)近場(chǎng)包括橫流磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)的屏蔽; 電磁屏蔽是對(duì)輻射場(chǎng)的屏蔽。要實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)的屏蔽必須選擇好屏蔽材料。電屏蔽和電磁屏蔽的材料一般是良性導(dǎo)體, 磁屏蔽則主要依賴高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻使得屏蔽體內(nèi)部(外部) 的磁場(chǎng)大大減弱。以往的屏蔽設(shè)計(jì)多采用銅、鋁材料, 但是它們的磁導(dǎo)率低 ,對(duì)于磁屏蔽的效果幾乎為零。
傳統(tǒng)用于屏蔽盒設(shè)計(jì)的銅、鋁材料其相對(duì)磁導(dǎo)率都比較低而被舍棄, 較終確定選取鐵材料做脈沖源的屏蔽盒。
3.2 濾波電路設(shè)計(jì)
共模干擾實(shí)質(zhì)是干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上的幅度、相位相同, 其電流是在電纜與大地之間形成的回路中流動(dòng)。差模干擾, 是指干擾電流在信號(hào)線與信號(hào)地線之間流動(dòng)的干擾。在信號(hào)電纜中, 差模電流主要是電路的工作電流。共模扼流圈是將信號(hào)線及其回線繞在同一磁芯上。
脈沖信號(hào)的主頻帶帶寬為500MHz，干擾信號(hào)的頻譜則較為寬廣, 因此工作頻率成為選擇鐵磁材料的關(guān)鍵因素。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)金屬性材料的工作頻率較高僅為500 kHz,磁性粉材料也僅為1MHz, 對(duì)較高頻率的干擾信號(hào)抑制作用不強(qiáng)。以往選用的錳鋅鐵氧體材料同樣存在這樣問題。只有鎳鋅鐵氧體的工作頻率在百兆赫, 較終可以確定鎳鋅鐵氧體為繞制共模電感的材料。
四 干擾消除模塊
根據(jù)以上分析，這里采用措施如圖5.兩級(jí)共模濾波加6kV隔離電源模塊隔離的措施進(jìn)行干擾消除，徹底消除圖4所示的干擾路徑。一級(jí)共模濾波采用日本TDK公司生產(chǎn)的共模線圈，具有較寬的頻帶抑制功能，6kV隔離模塊采用國(guó)產(chǎn)**高低溫隔離模塊，具有短路保護(hù)，過熱保護(hù)等特點(diǎn)，穩(wěn)定可靠，二級(jí)濾波采用鎳鋅鐵氧體瓷材料，消除100MHz以上的射頻干擾，三種解決措施，同時(shí)作用，將傳統(tǒng)的高壓窄脈沖消除到未加措施的1~5%水平。




圖5
產(chǎn)品的實(shí)物圖如圖6所示，
  
圖6
圖6的模塊型號(hào)為：H1212-5-EMC，他和電光調(diào)Q模塊的連接方式為圖7所示
 
圖7
也可以如此固定，如圖8所示
 
圖8
安裝示意圖如圖8所示。將2kHz模塊置于H1212-5-EMC底部，中間使用銅柱支撐。
五 正負(fù)干擾脈沖相互抵消的新降噪措施
經(jīng)過測(cè)試，使用被動(dòng)的將干擾脈沖進(jìn)行隔離是一個(gè)很不錯(cuò)的方式，但是電光驅(qū)動(dòng)模塊和KDP晶體連接后，任然存在干擾；在艾克思科技公司全體員工的努力之下，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和深度的設(shè)計(jì)，嘗試采用以毒攻毒的方式，想到采用兩個(gè)幅度相同，方向相反的兩個(gè)干擾脈沖，在同一時(shí)刻產(chǎn)生，產(chǎn)生干擾互相抵消。在時(shí)間測(cè)試中，采用LH-J100模塊進(jìn)行改進(jìn)，獲得100Hz調(diào)Q情況下的波形，如圖9所示。
  

圖9 正負(fù)脈沖抵消波形圖

正負(fù)干擾脈沖相互抵消的電光調(diào)Q模塊和KDP相連接，產(chǎn)生的干擾和單脈沖相比由60%的比例降低到5%，干擾幅度大大減小了，獲得了非常好的效果，如圖10所示。
 
圖10 單脈沖調(diào)Q干擾幅度和正負(fù)脈沖干擾幅度對(duì)比圖

作者 艾克思科技 胡總監(jiān)，歡迎技術(shù)探討。


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