正负干扰抵消电光调Q干扰消除方法分析

时间：2016-11-28

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*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，实际测试干扰较低也能降低到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较大工作带宽，也为每个探头号标出相应的较大带宽。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精确波形。通常我们并不需要计算出一个精确的上升时间，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精确波形的复杂细节。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精确度，其结果几乎没有差别。
F_3db=K/T

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：对于单较型指数衰减脉冲，K=0.350。
如果我们把脉冲类型从高斯脉冲换成一个单较型指数衰减脉冲，*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较大脉冲：
F_(max—3db)=(0.35)/(5*10^-9)=700MHz
较小脉冲频带为：

F_(min—3db)=(0.35)/(10*10^-9)=350MHz
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, 较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线及其回线绕在同一磁芯上。
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较高仅为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, 较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**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7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8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9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

作者 艾克思科技 胡总监，欢迎技术探讨。

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