正负干扰抵消电光调Q干扰消除方法分析

高压窄脉冲干扰消除方法分析第二版

电光调Q是一种高压窄脉冲，具有高电压、大电流、宽频带范围强干扰的特性，电子设备在如此干扰的环境中，往往出现死机、误动作、花屏、甚至烧损等故障，这类故障的形成原因复杂，使用传统的处理故障手段力所不及。一般情况下，电光调Q形成单向高压脉冲，虽然采用滤波，屏蔽等手段，能够降低干扰到原来的10%；但是任然不能满足精密测试的要求；更高等级的降噪就不能只采用隔离降噪的方法了，而是采用两个高压开关代替一个高压开关，形成正负干扰脉冲，两个幅度相等，方向相反的脉冲抵消的方式，理论值上是能将干扰完全消除，实际测试干扰也能降低到3%~5%。

一 窄脉冲频带宽度分析

LH-T100模块具有高压脉冲速度为5~10nS的特定，高压恢复时间约10uS，输出退压波形如图1所示；

图1

参考文献：“基于 MOS开关的高频高压脉冲源中电磁兼容问题研究”一文中，分析了一个脉冲源的输出可以视为一个矩形周期信号, 脉宽110nS , 重复周期80kHz,波形如图2所示。

图2

对图2的波形做傅里叶变换，获得如图3所示的频带波形；

图3

经过分析可知, 脉冲信号的主带宽为9.1MHz。比一般的低频率脉冲信号的主带宽要高, 同时由于脉冲信号幅值为4kV，带外频率的干扰也不能忽视, 这样干扰信号的频谱分布范围更宽。在低频段其产生的干扰以近场干扰为主, 高频段以辐射干扰为主, 需要在电磁兼容措施中区别考虑。

作者使用3DB带宽及RMS频率含义，当技术指示从模拟领域转换到数字领域的时候，通常需要将频率响应转换成上升时间。例如，示波器制造商通常会给每个垂直放大器标出一个工作带宽，也为每个探头号标出相应的带宽。但在有些时候，某些制造商可能采用的是一个3DB带宽或一个RMS带宽。无论哪种情况，带宽和上升时间之间的转换都将取决于示波器频率响应曲线的波形。通常我们并不需要计算出一个的上升时间，针对本书的使用目的，这里建立了一个便于使用的近似关系式，从而可以忽略有关频率响应波形的复杂细节。在下面的变换中，我们将频率响应转换为10~90%上升时间。无论我们规定上升时间是采用10~90%形式，还是采用脉冲中心低斜率的倒数，或是标准偏差方法的形式。相对于高度和定位数字电路问题时所需的度，其结果几乎没有差别。

F=脉冲响应下降3DB时的频率值

T=脉冲上升时间（10~90%）

K=比例常数，取决于具体的脉冲波形：对于高斯脉冲，K=0.338：对于单极型指数衰减脉冲，K=0.350。

如果我们把脉冲类型从高斯脉冲换成一个单极型指数衰减脉冲，第二式中的常数也相应地从0.338变成0.350。对于大多数的数字设计，如此细微的差别完全可以忽略。

电光调Q的窄脉冲沿大约5nS~10nS；那么使用公式计算频带脉冲：

最小脉冲频带为：

所以脉冲干扰能量主要集中在这些频带，为做干扰脉冲消除提供了理论基础。

二  脉冲源传播路

图4

电磁干扰传播路径分为辐射干扰和传导干扰, 辐射干扰通过空间传播, 传导干扰通过电路传播。经过分析可知, 脉冲源中的干扰同样按照传播路径不同可以分为以下几种:

l 脉冲输出及开关电路产生的辐射于扰通过空间传播, 将影响5V及驱动电路的PCB 线路板及信号线。

2 MOS开关模块产生的传导干扰将沿线影响5V直流源和触发信号的驱动电路。在电磁兼容设计中需针对不同的干扰传播路径采取相应的抑制措施。

三 脉冲干扰消除措施

3.1 电磁屏蔽

屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽是将干扰源限制在一定空间内。被动屏蔽是对敏感设备的保护,将干扰隔离在外。按照屏蔽的场的类型可以分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。其中电屏蔽主要针对近场包括对静电和低频电场的屏蔽; 磁屏蔽是对近场包括横流磁场和低频磁场的屏蔽; 电磁屏蔽是对辐射场的屏蔽。要实现对场的屏蔽必须选择好屏蔽材料。电屏蔽和电磁屏蔽的材料一般是良性导体, 磁屏蔽则主要依赖高导磁材料所具有的低磁阻使得屏蔽体内部(外部) 的磁场大大减弱。以往的屏蔽设计多采用铜、铝材料, 但是它们的磁导率低 ,对于磁屏蔽的效果几乎为零。

传统用于屏蔽盒设计的铜、铝材料其相对磁导率都比较低而被舍弃, 最终确定选取铁材料做脉冲源的屏蔽盒。

3.2 滤波电路设计

共模干扰实质是干扰电流在电缆中的所有导线上的幅度、相位相同, 其电流是在电缆与大地之间形成的回路中流动。差模干扰, 是指干扰电流在信号线与信号地线之间流动的干扰。在信号电缆中, 差模电流主要是电路的工作电流。共模扼流圈是将信号?呒捌浠叵呷圃谕淮判旧稀?/span>

脉冲信号的主频带带宽为500MHz，干扰信号的频谱则更为宽广, 因此工作频率成为选择铁磁材料的关键因素。经过对比发现金属性材料的工作频率仅为500 kHz,磁性粉材料也仅为1MHz, 对更高频率的干扰信号抑制作用不强。以往选用的锰锌铁氧体材料同样存在这样问题。只有镍锌铁氧体的工作频率在百兆赫, 最终可以确定镍锌铁氧体为绕制共模电感的材料。

四 干扰消除模块

根据以上分析，这里采用措施如图5.两级共模滤波加6kV隔离电源模块隔离的措施进行干扰消除，彻底消除图4所示的干扰路径。一级共模滤波采用日本TDK公司生产的共模线圈，具有较宽的频带抑制功能，6kV隔离模块采用国产军工高低温隔离模块，具有短路保护，过热保护等特点，稳定可靠，二级滤波采用镍锌铁氧体瓷材料，消除100MHz以上的射频干扰，三种解决措施，同时作用，将传统的高压窄脉冲消除到未加措施的1~5%水平。

图5

产品的实物图如图6所示，

图6

图6的模块型号为：H1212-5-EMC，他和电光调Q模块的连接方式为图8所示

图7

也可以如此固定，如图8所示

图8

安装示意图如图9所示。将2kHz模块置于H1212-5-EMC底部，中间使用铜柱支撑。

五 正负干扰脉冲相互抵消的新降噪措施

经过测试，使用被动的将干扰脉冲进行隔离是一个很不错的方式，但是电光驱动模块和KDP晶体连接后，任然存在干扰；在艾克思科技公司全体员工的努力之下，经过大量的实验和深度的设计，尝试采用以毒攻毒的方式，想到采用两个幅度相同，方向相反的两个干扰脉冲，在同一时刻产生，产生干扰互相抵消。在时间测试中，采用LH-J100模块进行改进，获得100Hz调Q情况下的波形，如图10所示。

图9正负脉冲抵消波形图

正负干扰脉冲相互抵消的电光调Q模块和KDP相连接，产生的干扰和单脉冲相比由60%的比例降低到5%，干扰幅度大大减小了，获得了非常好的效果，如图10所示。

图10 单脉冲调Q干扰幅度和正负脉冲干扰幅度对比图