劉衛(wèi)平，劉金榮

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

超高壓汞燈電源由于具有高壓觸發(fā)裝置，所以其內(nèi)部的電磁環(huán)境比普通開關(guān)電源要更為復(fù)雜，這是因?yàn)槌邏汗療魧儆诟邚?qiáng)度氣體放電燈，須高壓啟動(dòng)方可點(diǎn)燃，觸發(fā)電壓高、啟動(dòng)電流大；啟動(dòng)時(shí)的高壓、大電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，對周圍電子設(shè)備和電源自身（尤其是開關(guān)電源）會造成嚴(yán)重的危害，輕則導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)會造成電源元器件的損壞，給生產(chǎn)帶來重大損失，因此在研制超高壓汞燈開關(guān)電源時(shí)，除了考慮開關(guān)管、高頻變壓器等功率器件高頻工作所產(chǎn)生的噪聲干擾外，如何對啟動(dòng)瞬間高壓大電流放電干擾進(jìn)行有效抑制是一個(gè)無法回避必須面對的難題，干擾問題能否得到妥善解決關(guān)系到電源能否可靠運(yùn)行，所以也是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

1 高壓大電流觸發(fā)干擾產(chǎn)生機(jī)理分析

超高壓汞燈電源的干擾產(chǎn)生機(jī)理，與其他開關(guān)電源既有相似之處，又有它完全獨(dú)特的地方，一方面超高壓汞燈電源工作時(shí)，由于開關(guān)管、高頻整流二極管、高頻變壓器等大功率元器件工作在高頻，在開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)閉時(shí)，伴隨有很大的電壓電流變化量，同時(shí)高頻變壓器存在一定的漏感，所以在電源內(nèi)部和周圍存在大量的諧波干擾，這種干擾具有持續(xù)性，是開關(guān)電源的共性；另一方面，超高壓汞燈是高強(qiáng)度氣體放電燈，在冷態(tài)不發(fā)光時(shí)其兩極處于開路狀態(tài)，內(nèi)部填充少量水銀和惰性氣體，當(dāng)利用瞬間上萬伏的高電壓將其點(diǎn)燃時(shí)，水銀汽化放電，兩極瞬間從開路狀態(tài)驟變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，伴隨有很大的沖擊電流（見圖1），這個(gè)過程中，電壓電流變化時(shí)間短，突變(dvdt，didt )量大，瞬間劇烈的電壓電流突變在放電回路周圍會產(chǎn)生很強(qiáng)的交變電磁場，對周圍電子設(shè)備和電源自身會造成嚴(yán)重的電磁干擾；這種高壓大電流放電干擾，屬于無法回避的主動(dòng)型干擾，僅在每次開機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，時(shí)間上具有確定性；由于回路電阻小，放電時(shí)間短，所以放電能量大，產(chǎn)生的干擾更為嚴(yán)重，對周圍電子設(shè)備和電源自身危害更大；本文重點(diǎn)分析論述這種啟動(dòng)瞬間的放電干擾。

圖1 啟動(dòng)放電電流曲線

式中：為矢量微分算符（一階偏微分哈密頓算符），D、B分別為電感應(yīng)強(qiáng)度矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，E、H為電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，ρe0是放電電荷的體密度，j0是傳導(dǎo)電流密度，是位移電流密度。

如圖2所示，假定L為放電回路中的一段直導(dǎo)線，對于導(dǎo)線上任意電流元Idl，其在空間任意點(diǎn)P(x、y)產(chǎn)生的磁場為：

圖2 載流直導(dǎo)線周圍電磁場計(jì)算是

上式中：r為電流元到P點(diǎn)的距離，設(shè)P(x、y)與導(dǎo)線L的垂直距離，電流元Idl到Q 點(diǎn)的距離為l，則有：

所以：

取微分：

由此可計(jì)算p點(diǎn)的磁場強(qiáng)度為：

由A,B,C,D四點(diǎn)所圍面積內(nèi)的磁通為：

由于電流的變化，磁通必然要發(fā)生變化，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電勢：

由之可估算出放電回路中的一任意電流元Idl在空間任意點(diǎn)產(chǎn)生的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度的量級可達(dá)到0.1特斯拉，電場強(qiáng)度接近400 Vm，在 10 cm長的導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓達(dá)到40 V；可見大電流放電干擾非常嚴(yán)重，如果不采取有效抗干擾措施，這種強(qiáng)電磁干擾會導(dǎo)致控制紊亂，控制功能失效，甚至?xí)斐稍骷膿p壞，對電源自身和周圍電子裝置會造成重大危害。

2 解決措施

開關(guān)型超高壓汞燈電源內(nèi)部干擾源密集，干擾環(huán)境復(fù)雜，既有開關(guān)管、高頻變壓器等功率器件的高頻開關(guān)噪聲，又有啟動(dòng)瞬間的大電流放電干擾，要使電源能夠穩(wěn)定、可靠地工作，必須從電磁干擾的產(chǎn)生、耦合和傳輸途徑、器件抗干擾能力等方面全程考慮，采取合理有效的手段抑制干擾。針對這種復(fù)雜的干擾環(huán)境，除了采用合理的元器件布局和布線工藝以及合理的接地技術(shù)外，還需進(jìn)一步采取抗干擾抑制措施。

2.1 從頻域上進(jìn)行隔離

超高壓汞燈電源中，電磁干擾源是由多個(gè)不同頻譜的干擾信號形成的復(fù)雜干擾環(huán)境，根據(jù)頻譜線性疊加原理，如果函數(shù)f1(t)的頻譜是s1(w)，函數(shù)f2(t)的頻譜是s2(w)，則函數(shù)f(t)=f1(t)+f2(t)的頻譜，即：

就是說，函數(shù)線性相加后的頻譜是它們頻譜的線性和。

所以可以從頻域上對干擾信號進(jìn)行隔離，利用傳輸信號和干擾信號在電磁場中所占的頻域不同，采用適當(dāng)頻率帶寬的線路濾波器和鐵氧體磁環(huán)，來分離信號與干擾，剔除干擾，對于高壓大電流放電干擾，頻率范圍主要集中在300 kHz～30 MHz，屬于中高頻干擾，所以選用截止頻率在300 kHz以下的低通濾波器，同時(shí)考慮到大電流觸發(fā)放電干擾能量大，干擾信號幅度強(qiáng)，為增大濾波器阻帶的衰減，采用型濾波器，其插入損耗為:

式中：ZS，ZL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗；

另外，鐵氧體磁環(huán)是高導(dǎo)磁的有耗材料，其阻抗隨頻率升高而增大，所以在電源內(nèi)部一些敏感裝置輸入線路上套鐵氧體磁環(huán)對阻滯大電流高頻干擾非常有效，但在高壓觸發(fā)環(huán)路則不能套鐵氧體磁環(huán)或線路濾波器，否則會阻滯高壓信號的傳輸，影響點(diǎn)燈效果。

鐵氧體磁環(huán)是高導(dǎo)磁的有耗材料，電磁場在其中會形成渦流，利用焦耳效應(yīng)來損耗、衰減干擾，鐵氧體阻抗：

L為鐵氧體電感衰減倍數(shù)：

衰減系數(shù)：

式中：V0為無鐵氧體磁環(huán)時(shí)的電壓 (V)；V為有鐵氧體磁環(huán)時(shí)的電壓(V)；ZW為導(dǎo)線阻抗(Ω)；ZB為鐵氧體阻抗(Ω)。

2.2 空域上采用屏蔽

超高壓汞燈瞬間高壓大電流放電會產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射干擾，采用屏蔽技術(shù)可以有效抑制電磁輻射干擾，而不會對控制電路帶來任何影響，電磁干擾到達(dá)金屬屏蔽體后會產(chǎn)生反射和吸收作用，部分電磁干擾會在屏蔽體兩個(gè)界面間重復(fù)進(jìn)行多次反射，對電磁能量造成衰減。

屏蔽體屏蔽效能由吸收損耗A，反射損耗R和多重反射損耗B決定：

反射損耗與電磁波的波阻抗Za和屏蔽材料的特征阻抗Zm有關(guān)，對于特定的屏蔽材料，電磁波的波阻抗越高，反射損耗越大，屏蔽材料的阻抗越低，反射損耗越大。

多重反射損耗：

對于高壓大電流放點(diǎn)干擾，電磁干擾頻率在300 kHz-30 MHz范圍，可采用良導(dǎo)電材料作為屏蔽體，此時(shí)由于頻率高，趨膚深度δ很小，多次反射項(xiàng)B趨于0，可以忽略不計(jì)，所以電磁屏蔽體無需做得很厚，厚度只要能夠達(dá)到工藝強(qiáng)度要求即可；同時(shí)考慮到高壓大電流放電干擾，電磁輻射能量大，為增強(qiáng)屏蔽效果，將主要干擾源和最易受干擾的部件同時(shí)屏蔽；高壓觸發(fā)器是高壓產(chǎn)生裝置，屬于最嚴(yán)重的干擾部件，而控制電路板是易受干擾的薄弱環(huán)節(jié)，對這兩個(gè)部件同時(shí)屏蔽，實(shí)踐證明對降低輻射干擾非常有效。

2.3 時(shí)域上適時(shí)回避

由于超高壓汞燈高壓大電流放電干擾僅在每次開機(jī)時(shí)出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間很短（幾分鐘），在時(shí)間上具有確定性，因此可以采用時(shí)域上主動(dòng)回避的辦法，在觸發(fā)點(diǎn)燈時(shí)，對一些無需開啟電源而又對干擾異常敏感的電子裝置或器件，可以利用電子開關(guān)關(guān)閉一些信號通道，或切斷一些敏感裝置電源，以免受觸發(fā)干擾的侵?jǐn)_，待瞬時(shí)干擾過后,再重新打開信號通道、接通電源,恢復(fù)系統(tǒng)工作；這樣無需采取特別的干擾抑制措施和成本代價(jià)，即可達(dá)到電磁兼容效果，并且對原裝置不會產(chǎn)生任何影響。

3 結(jié)束語

超高壓汞燈電源工作時(shí)內(nèi)部復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，給電源研制帶來很大挑戰(zhàn)；尤其超高壓汞燈啟動(dòng)時(shí)的高壓大電流放電干擾，放電能量大，電磁干擾強(qiáng)，對電源自身和周圍電子裝置危害更大，要有效抑制干擾，必須從電磁干擾的產(chǎn)生源，耦合和干擾途徑，受體抗干擾能力等方面全程考慮，從整個(gè)電磁環(huán)境的頻域、空域、時(shí)域多維入手，將屏蔽、濾波、接地等技術(shù)多重結(jié)合，采取多種措施，這樣才能有效抑制和防范干擾，取得理想的電磁兼容效果。

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