一种超宽带EMI滤波器设计

发布时间：2020-09-27 21:55

　　电磁脉冲(EMP)一词来源于大自然的闪电,在闪电附近出现了瞬变的电磁场。全球范围内大约每秒发生闪电100次,每一次瞬变的电磁场使周围的电流上升率高达几万安培/us。这些瞬间产生的大电流从电源线、信号线通过传导耦合进入电子设备,然后在设备元器件上产生感应电压、电流。如果这些感应电压、电流超过了元器件的损伤阀值,轻则设备正常运行受到干扰,重则元器件永久损伤系统无法运行。超宽带电磁脉冲(UWB-EMP)时域上是一个上升沿很快(≤5ns)的冲击脉冲,频谱覆盖范围宽,可以从甚低频到几GHz(大部分能量集中在低频段)。大量的短波、超短波通信设备以及高速超大规模集成电路就工作在这些频段内。当超宽带电磁脉冲耦合的能量与这些设备相互作用时,可能会造成部分器件被干扰、扰乱、降级甚至损坏。不同电子设备的超宽带电磁脉冲效应阀值不一样,要分析超宽带电磁脉冲效应阀值,就必须清晰两个关键点:超宽带电磁脉冲是怎样进入电子设备内部的;能量耦合系数是多少以及敏感器件端口感应的超宽带电磁脉冲特征参数,此外还需要知道敏感电子器件产生的效应现象。本文主要从传导干扰防护角度入手分析了超宽带电磁脉冲几种常见的传导干扰特点,然后根据这些传导耦合的干扰信号波形特征,再结合现有磁性材料工作特性,选择了比较合适的滤波电路。本文第1章介绍了超宽带电磁脉冲的来源以及目前国内外研究现状;第2章研究了超宽带电磁脉冲对电源系统的损伤效应,只有明确了超宽带电磁脉冲效应机理,才能找出最有效的防护手段;第三章设计了一款针对防护超宽带电磁脉冲传导干扰的EMI滤波器。本文EMI滤波器放置在功率电源线和功率变流器输入端之间,主要是用来抑制共模(CM)和差模(DM)噪声,在100KHz~3GHz频段,插入损耗可以达到60dB。为了达到设计指标,对比了各类函数型滤波器的衰减特性以后,本文选择典型的切比雪夫低通LC滤波器来实现这一功能。接着分析了现有的磁性材料的频率特性,根据磁性材料的磁导率分布情况将防护频段分为低、中、高几个频段,低频段选用磁导率较高的铁基纳米晶磁芯,中高频段选用锰锌铁氧体以及镍锌铁氧体搭配使用,特高频段选用空心电感和通过螺栓固定在隔板上的穿心点容。考虑到LC器件在如此宽的频带里工作,高频时自身的寄生参数产生的谐振点会影响插入损耗。为了解决这个问题,本文分析了LC器件的高频模型,在有寄生电容的情况下对滤波电路进行了优化。最后对EMI滤波器的主要指标插入损耗进行了测试,能基本满足设计要求。接下来根据现有的电磁脉冲传导干扰相关测试要求搭建测试平台,对滤波器线对线、线对地之间注入电磁脉冲电流波形。本文的超宽带测试系统选用瑞士的Montena:其中包括高压脉冲发生器、半抛物面天线、示波器等。高压发生器将高电压脉冲传送到一个半抛物面天线(HIRA,用来辐射耦合滤波器),然后用一个导数场探头测量辐射的电场脉冲。如果滤波器在强烈干扰的环境下,为了确保测得的信号正常传输,还会在测量链路系统中加入一个光纤发射装置,让需要的信号通过光纤链路发送。示波器在本测试系统中用来收集并显示探头测到的信号,最终这些信号会存储在用于控制的计算机中,形成测试报告。本文设计的超宽带EMI滤波器,与普通的EMI滤波器相比较,前端输入多了电磁脉冲防护部分,整体结构包括低频脉冲泄放防护单元和中高频防护单元。低频防护单元包括避雷器、延时电感和压敏电阻。避雷器和压敏电阻用来吸收电磁脉冲低频能量,延时电感用来延长电磁脉冲作用时间;中高频防护单元包括典型的LC滤波电路和馈通滤波器(穿心电容),LC谐振电路吸收电磁脉冲中频能量,滤波电感吸收电磁脉冲中高频能量,穿心电容用来吸收电磁脉冲高频能量。本文采用延时、吸收、旁路谐振、射频屏蔽等方式,使电源线耦合的超宽带电磁脉冲能量被衰减到电源设备的正常工作范围。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TN713
【部分图文】：

电流元,电磁场,电流环路,磁脉冲

有些场分量就按 1/r3减小，称为菲涅r 减小，称为远场区或弗朗荷费区。频和靠近偶极天线时，存在感应场（产生远场条件的距离，连同其他因素/2 时，则近场/远场的界面距离规定为2r 场合，界面距离为 r=D/（2π）。这电流环路产生的磁场和电场开始按函近似等于点（辐射）源，而相位是距磁脉冲分析时，干扰源主要是电流环路和电流元产生的场以及环路、短导电磁脉冲电磁干扰的辐射和耦合，也在空间辐射感应的电流元是一种电，另一端连接一个高阻抗。

滤波器,频率,超宽带电磁脉冲,带阻滤波器

第 3 章超宽带电磁脉冲 EMI 滤波器第 3 章超宽带电磁脉冲 EMI 滤波器（filter），即能够过滤波动信号的设备。滤波器的作用，中，选出特定频率成分的信号。针对不同频率信号的通带：低通滤波器（Low pass filters）、高通滤波器（High pasband pass filters）、带阻滤波器（band stop filters）以及全通。图 3-1 是常用滤波器频率应用图。

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图 3-2 EMI 滤波器电路图 3-3 是理想的低通滤波器和实际制作的滤波器衰减对比。理想的 LC 低滤波器能够让直流到截止频率之间所有的信号没有任何损失地通过，截止频率后的信号全部被挡住不能通过滤波器。实际制作出来的滤波器以截止频率为分线缓慢下降，然后在随着电容或者线圈电感在高频的谐振点来回波动直至回到点。fc0dB∞dB0Hz∞Hz衰减量频率fc0dB∞Hz0Hz衰减量频率

【参考文献】