超高壓汞燈電源高壓大電流觸發(fā)干擾分析與抑制措施研究

劉衛(wèi)平，劉金榮

(中國電子科技集團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，所以其內部的電磁環(huán)境比普通開關電源要更為復雜，這是因為超高壓汞燈屬于高強度氣體放電燈，須高壓啟動方可點燃，觸發(fā)電壓高、啟動電流大；啟動時的高壓、大電流會產(chǎn)生很強的電磁干擾，對周圍電子設備和電源自身（尤其是開關電源）會造成嚴重的危害，輕則導致系統(tǒng)紊亂不能正常工作，嚴重時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電源時，除了考慮開關管、高頻變壓器等功率器件高頻工作所產(chǎn)生的噪聲干擾外，如何對啟動瞬間高壓大電流放電干擾進行有效抑制是一個無法回避必須面對的難題，干擾問題能否得到妥善解決關系到電源能否可靠運行，所以也是設計成敗的關鍵。

1 高壓大電流觸發(fā)干擾產(chǎn)生機理分析

超高壓汞燈電源的干擾產(chǎn)生機理，與其他開關電源既有相似之處，又有它完全獨特的地方，一方面超高壓汞燈電源工作時，由于開關管、高頻整流二極管、高頻變壓器等大功率元器件工作在高頻，在開關管導通關閉時，伴隨有很大的電壓電流變化量，同時高頻變壓器存在一定的漏感，所以在電源內部和周圍存在大量的諧波干擾，這種干擾具有持續(xù)性，是開關電源的共性；另一方面，超高壓汞燈是高強度氣體放電燈，在冷態(tài)不發(fā)光時其兩極處于開路狀態(tài)，內部填充少量水銀和惰性氣體，當利用瞬間上萬伏的高電壓將其點燃時，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），這個過程中，電壓電流變化時間短，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)生很強的交變電磁場，對周圍電子設備和電源自身會造成嚴重的電磁干擾；這種高壓大電流放電干擾，屬于無法回避的主動型干擾，僅在每次開機啟動時出現(xiàn)，時間上具有確定性；由于回路電阻小，放電時間短，所以放電能量大，產(chǎn)生的干擾更為嚴重，對周圍電子設備和電源自身危害更大；本文重點分析論述這種啟動瞬間的放電干擾。

圖1 啟動放電電流曲線

式中：為矢量微分算符（一階偏微分哈密頓算符），D、B分別為電感應強度矢量和磁感應強度矢量，E、H為電場強度和磁場強度，ρe0是放電電荷的體密度，j0是傳導電流密度，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線，對于導線上任意電流元Idl，其在空間任意點P(x、y)產(chǎn)生的磁場為：

圖2 載流直導線周圍電磁場計算是

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

所以：

取微分：

由此可計算p點的磁場強度為：

由A,B,C,D四點所圍面積內的磁通為：

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在空間任意點產(chǎn)生的磁場，磁感應強度的量級可達到0.1特斯拉，電場強度接近400 Vm，在 10 cm長的導線上產(chǎn)生的感應電壓達到40 V；可見大電流放電干擾非常嚴重，如果不采取有效抗干擾措施，這種強電磁干擾會導致控制紊亂，控制功能失效，甚至會造成元器件的損壞，對電源自身和周圍電子裝置會造成重大危害。

2 解決措施

開關型超高壓汞燈電源內部干擾源密集，干擾環(huán)境復雜，既有開關管、高頻變壓器等功率器件的高頻開關噪聲，又有啟動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外，還需進一步采取抗干擾抑制措施。

2.1 從頻域上進行隔離

超高壓汞燈電源中，電磁干擾源是由多個不同頻譜的干擾信號形成的復雜干擾環(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，同時考慮到大電流觸發(fā)放電干擾能量大，干擾信號幅度強，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分別為源阻抗和負載阻抗；

另外，鐵氧體磁環(huán)是高導磁的有耗材料，其阻抗隨頻率升高而增大，所以在電源內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，影響點燈效果。

鐵氧體磁環(huán)是高導磁的有耗材料，電磁場在其中會形成渦流，利用焦耳效應來損耗、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)時的電壓 (V)；V為有鐵氧體磁環(huán)時的電壓(V)；ZW為導線阻抗(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)生很強的輻射干擾，采用屏蔽技術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界面間重復進行多次反射，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，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干擾，電磁干擾頻率在300 kHz-30 MHz范圍，可采用良導電材料作為屏蔽體，此時由于頻率高，趨膚深度δ很小，多次反射項B趨于0，可以忽略不計，所以電磁屏蔽體無需做得很厚，厚度只要能夠達到工藝強度要求即可；同時考慮到高壓大電流放電干擾，電磁輻射能量大，為增強屏蔽效果，將主要干擾源和最易受干擾的部件同時屏蔽；高壓觸發(fā)器是高壓產(chǎn)生裝置，屬于最嚴重的干擾部件，而控制電路板是易受干擾的薄弱環(huán)節(jié)，對這兩個部件同時屏蔽，實踐證明對降低輻射干擾非常有效。

2.3 時域上適時回避

由于超高壓汞燈高壓大電流放電干擾僅在每次開機時出現(xiàn)，持續(xù)時間很短（幾分鐘），在時間上具有確定性，因此可以采用時域上主動回避的辦法，在觸發(fā)點燈時，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，可以利用電子開關關閉一些信號通道，或切斷一些敏感裝置電源，以免受觸發(fā)干擾的侵擾，待瞬時干擾過后,再重新打開信號通道、接通電源,恢復系統(tǒng)工作；這樣無需采取特別的干擾抑制措施和成本代價，即可達到電磁兼容效果，并且對原裝置不會產(chǎn)生任何影響。

3 結束語

超高壓汞燈電源工作時內部復雜的電磁干擾環(huán)境，給電源研制帶來很大挑戰(zhàn)；尤其超高壓汞燈啟動時的高壓大電流放電干擾，放電能量大，電磁干擾強，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，從整個電磁環(huán)境的頻域、空域、時域多維入手，將屏蔽、濾波、接地等技術多重結合，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。

[1] 何金良.電磁兼容概論［M］.北京:科學出版社，2010.

[2] 趙凱華，陳熙謀.電磁學［M］.北京:高等教育出版社，2011.

[3] 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

[4] 趙凱華，陳熙謀.電磁學［M］.北京:高等教育出版社，2011.

[5] 孫慧賢，王群.開關電源電磁干擾的抑制措施［J］.低壓電器，2005(8)：8-11.

[6] 璩克旺，陶生桂，毛明平.開關電源的抗干擾技術［J］.電工技術，2003（10）：25-28.