恶劣环境中抗浪涌电压电路设计 中国船舶重工集团第7研究院第707研究所陶婷华 摘要介绍恶劣电压环境下，浪涌电压产生的情况与危害，系统电路保证正常工作与通信要求的保护措施;详细分析网络通信线路、数据信号线路、电源线路的防护措施和系统设计中必须注意的问题;提出一些浪涌保护器件的选用原则。 关键词浪涌电压高能泄放限压限流 引言 随着计算机技术的飞速发展，计算机已经广泛地应用于各个领域，抗恶劣环境的军用加固机也已从军用渗透到工业、商业等领域。 在机车计算机系统中，计算机工作于高温、高湿、低温、振动、冲击、电磁干扰等恶劣环境，同时受到因大电流工作单元的开、断所产生的浪涌电压的干扰。传统的抗恶劣环境计算机的设计方法不能解决高浪涌电压环境下对加固机的干扰和破坏，本文介绍一种新研制的抗浪涌电压的机车加固机的保护电路的设计。 一、 浪涌电压的产生及危害 机车加固机主要用于控制直流同步发电机，以及全车通信与检测。加固机安装于火车的头部车厢，有大量工作于大电流状态的工作单元，如：柴油机、发电机、继电器等。这些工作单元的开启和关断所产生的浪涌电压，会沿着电源传输线直接进入系统，同时通过空间的电磁场或通过电容耦合、电感耦合在信号传输线上产生干扰。其产生的浪涌电压波形是一个随机的能量极高的波形。当浪涌电压施加在加固机的外部电路连接点和电源零电位点之间，其电压可能达到的幅值与持续时间如表1所列。 浪涌电压对电源线的干扰会使电源质量变坏，引起电压波动，过高的电压还会使电源损坏。进入信号线的干扰会影响设备的正常运行及至损坏。总之，浪涌电压的破坏性极大，轻则导致电路误动作，干扰系统正常工作，重则使整个系统瘫痪。 表1电压幅值与持续时间 电压幅值U/kV〖〗持续时间t/μs70〖〗0．140〖〗1．0 30〖〗5．015〖〗50800*〖〗100注：*单位为V。 二、 保护电路 鉴于上述情况，要使整机在强大浪涌电压的恶劣环境下，能正常的通信、正常的工作，必须采取保护措施。保护有单级的、多级的。根据加固机所处环境的不同、所受干扰程度的不同、在工作中所起作用的不同，设计浪涌保护的级别如图1所示。 IN〖〗1级保护……N级保护……OUT〖〗被保护设备 图1 浪涌电压的破坏一般分2种：对数据线上的破坏和对电源线上的破坏。虽然破坏的方式、方法有所不同，但其保护措施的原理是相似的，如图2所示。 图21信号线的防护 对于计算机网络的RS232，RS422， RS485以及A/D，D/A，DI/DO等数据信号的防护，一般采取如图3所示的方法，即对信号线采用2级保护。 图3R1一般为第1级保护，选用合适的压敏电阻。当有大电压干扰时，压敏电阻的阻抗很小，能量从R1泄放到大地;当通过正常电压信号时，压敏电阻阻抗近似于无穷大，信号正常通过。例：当被保护的元件是+5V的器件时，R1的击穿电压选7V;当被保护的元件是±15V的器件时，R1的击穿电压选20V。 R2以后为第2级保护，R2为限流电阻。当有浪涌电压时，由于R2的存在，大部分的压降降在R1上，限制了大电流的通过。R2的阻值选取不能过大，否则，会影响被保护设备的输入阻抗。 图4大部分的压降虽然降在了R1上，但仍有少部分过压串进线路，这部分电压由二极管VD1和VD2或是稳压管VDZ1和VDZ2来吸收，使进入被保护设备的信号是干净、可靠的。 电容C起改善信号波形的作用。由于线电阻的存在，OUT点的波形如图4中曲线a所示，即加载在被保护设备上的信号有一个不好的尖脉冲。加上电容C后，电路对电容充电，使OUT点的波形改善为图4中曲线b所示的形式。选择适当的电容值，使曲线b的波形为最佳。充电时间常数τ=RC，R为R2之前的线电阻，C为电容值。对于信号线上的保护，RC产生的滤波器频带要较宽，即RC常量要小，这样响应的时间则快。 电源“地”和逻辑“地”在大地相连，机箱内是不相连的。为防止机箱内两“地”的不等电位而引起的OUT点电压升高，特设计在两“地”间接上两反向1V左右的稳压管VDZ1和VDZ2。 2． 电源线的防护 电源是整机系统正常工作的关键，因此，对电源的防护最为关键，也最为重要。一般采取的方法如图5所示。 图5电源输入的电压功率大，工作电流很大，能量消耗也很大，限流电阻承受不了如此大的功率，所以改为电感替之。如输入电源电压是110V直流电压，压敏电阻的击穿电压可选150V。电感的电感量推荐选用1mH，且其本身的固有电容要小。对于电源线上的保护，RC产生的滤波器频带相对要窄，即RC常量要大一些。 对电源线的保护与对信号线的保护原理基本相同。对于电源电压的保护必须是多级的，可以在图5的基础上，在A和B之间增加由R1、L和C1组成的多级保护电路，视需要而定。 3 系统设计 前面2点介绍的是针对各个可能被浪涌电压破坏的线路上的防护。作为一个系统，不仅要保证计算机能工作，而且还要可靠工作，所以对整机系统要有一个系统性的考虑。 (1) 良好的接地电路。信号数据回路的工作接地通常为逻辑地，可以接大地，也可以悬空。设备外壳、电源线等的接地则必须与大地有很好的连接。一般而言，逻辑地与安全地在室内是不能连接在一起的，但可以一起接在大地。 (2) 多级保护。对于重要的信号要做到多级保护，既要从模块上保护，也要从系统上保护。 (3) 电源大能量的浪涌保护电路要单独设计。 (4) 为保证系统的可靠性和精度，在相关部件上实行信号（数字的或是模拟的）隔离。 三、 浪涌保护器件的选用 （1） 浪涌保护电路应不妨碍系统正常工作，特别对于高频信号，要求保护电路的寄生电容要小，插入损耗要小。 （2） 浪涌保护器件的击穿电压或保护电压应适应电压保护的要求。 （3） 浪涌保护器件应以足够大的分流能力使能量尽快泄放掉，即吸收大的能量而不损坏。保护电路在导通时，导电电阻很小，在浪涌电压过去后，保护电路的状态立即恢复。 （4） 保护电路应具有足够快的响应，特别当分流能力大时，响应时间不能太大。 （5） 保护电路中高能泄放回路上的导线应足够粗，使浪涌电压在泄放回路上的压降足够低。 （6） 浪涌保护电路只能保护被保护电路不受损坏。浪涌电压发生瞬时，系统信号不能保证可靠与有效，这需软件来处理。MES