超高压汞灯电源高压大电流触发干扰分析与抑制措施研究

刘卫平，刘金荣

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

超高压汞灯电源由于具有高压触发装置，所以其内部的电磁环境比普通开关电源要更为复杂，这是因为超高压汞灯属于高强度气体放电灯，须高压启动方可点燃，触发电压高、启动电流大；启动时的高压、大电流会产生很强的电磁干扰，对周围电子设备和电源自身（尤其是开关电源）会造成严重的危害，轻则导致系统紊乱不能正常工作，严重时会造成电源元器件的损坏，给生产带来重大损失，因此在研制超高压汞灯开关电源时，除了考虑开关管、高频变压器等功率器件高频工作所产生的噪声干扰外，如何对启动瞬间高压大电流放电干扰进行有效抑制是一个无法回避必须面对的难题，干扰问题能否得到妥善解决关系到电源能否可靠运行，所以也是设计成败的关键。

1 高压大电流触发干扰产生机理分析

超高压汞灯电源的干扰产生机理，与其他开关电源既有相似之处，又有它完全独特的地方，一方面超高压汞灯电源工作时，由于开关管、高频整流二极管、高频变压器等大功率元器件工作在高频，在开关管导通关闭时，伴随有很大的电压电流变化量，同时高频变压器存在一定的漏感，所以在电源内部和周围存在大量的谐波干扰，这种干扰具有持续性，是开关电源的共性；另一方面，超高压汞灯是高强度气体放电灯，在冷态不发光时其两极处于开路状态，内部填充少量水银和惰性气体，当利用瞬间上万伏的高电压将其点燃时，水银汽化放电，两极瞬间从开路状态骤变为短路状态，伴随有很大的冲击电流（见图1），这个过程中，电压电流变化时间短，突变(dvdt，didt )量大，瞬间剧烈的电压电流突变在放电回路周围会产生很强的交变电磁场，对周围电子设备和电源自身会造成严重的电磁干扰；这种高压大电流放电干扰，属于无法回避的主动型干扰，仅在每次开机启动时出现，时间上具有确定性；由于回路电阻小，放电时间短，所以放电能量大，产生的干扰更为严重，对周围电子设备和电源自身危害更大；本文重点分析论述这种启动瞬间的放电干扰。

图1 启动放电电流曲线

式中：为矢量微分算符（一阶偏微分哈密顿算符），D、B分别为电感应强度矢量和磁感应强度矢量，E、H为电场强度和磁场强度，ρe0是放电电荷的体密度，j0是传导电流密度，是位移电流密度。

如图2所示，假定L为放电回路中的一段直导线，对于导线上任意电流元Idl，其在空间任意点P(x、y)产生的磁场为：

图2 载流直导线周围电磁场计算是

上式中：r为电流元到P点的距离，设P(x、y)与导线L的垂直距离，电流元Idl到Q 点的距离为l，则有：

所以：

取微分：

由此可计算p点的磁场强度为：

由A,B,C,D四点所围面积内的磁通为：

由于电流的变化，磁通必然要发生变化，所以产生的感应电势：

由之可估算出放电回路中的一任意电流元Idl在空间任意点产生的磁场，磁感应强度的量级可达到0.1特斯拉，电场强度接近400 Vm，在 10 cm长的导线上产生的感应电压达到40 V；可见大电流放电干扰非常严重，如果不采取有效抗干扰措施，这种强电磁干扰会导致控制紊乱，控制功能失效，甚至会造成元器件的损坏，对电源自身和周围电子装置会造成重大危害。

2 解决措施

开关型超高压汞灯电源内部干扰源密集，干扰环境复杂，既有开关管、高频变压器等功率器件的高频开关噪声，又有启动瞬间的大电流放电干扰，要使电源能够稳定、可靠地工作，必须从电磁干扰的产生、耦合和传输途径、器件抗干扰能力等方面全程考虑，采取合理有效的手段抑制干扰。针对这种复杂的干扰环境，除了采用合理的元器件布局和布线工艺以及合理的接地技术外，还需进一步采取抗干扰抑制措施。

2.1 从频域上进行隔离

超高压汞灯电源中，电磁干扰源是由多个不同频谱的干扰信号形成的复杂干扰环境，根据频谱线性叠加原理，如果函数f1(t)的频谱是s1(w)，函数f2(t)的频谱是s2(w)，则函数f(t)=f1(t)+f2(t)的频谱，即：

就是说，函数线性相加后的频谱是它们频谱的线性和。

所以可以从频域上对干扰信号进行隔离，利用传输信号和干扰信号在电磁场中所占的频域不同，采用适当频率带宽的线路滤波器和铁氧体磁环，来分离信号与干扰，剔除干扰，对于高压大电流放电干扰，频率范围主要集中在300 kHz～30 MHz，属于中高频干扰，所以选用截止频率在300 kHz以下的低通滤波器，同时考虑到大电流触发放电干扰能量大，干扰信号幅度强，为增大滤波器阻带的衰减，采用型滤波器，其插入损耗为:

式中：ZS，ZL分别为源阻抗和负载阻抗；

另外，铁氧体磁环是高导磁的有耗材料，其阻抗随频率升高而增大，所以在电源内部一些敏感装置输入线路上套铁氧体磁环对阻滞大电流高频干扰非常有效，但在高压触发环路则不能套铁氧体磁环或线路滤波器，否则会阻滞高压信号的传输，影响点灯效果。

铁氧体磁环是高导磁的有耗材料，电磁场在其中会形成涡流，利用焦耳效应来损耗、衰减干扰，铁氧体阻抗：

L为铁氧体电感衰减倍数：

衰减系数：

式中：V0为无铁氧体磁环时的电压 (V)；V为有铁氧体磁环时的电压(V)；ZW为导线阻抗(Ω)；ZB为铁氧体阻抗(Ω)。

2.2 空域上采用屏蔽

超高压汞灯瞬间高压大电流放电会产生很强的辐射干扰，采用屏蔽技术可以有效抑制电磁辐射干扰，而不会对控制电路带来任何影响，电磁干扰到达金属屏蔽体后会产生反射和吸收作用，部分电磁干扰会在屏蔽体两个界面间重复进行多次反射，对电磁能量造成衰减。

屏蔽体屏蔽效能由吸收损耗A，反射损耗R和多重反射损耗B决定：

反射损耗与电磁波的波阻抗Za和屏蔽材料的特征阻抗Zm有关，对于特定的屏蔽材料，电磁波的波阻抗越高，反射损耗越大，屏蔽材料的阻抗越低，反射损耗越大。

多重反射损耗：

对于高压大电流放点干扰，电磁干扰频率在300 kHz-30 MHz范围，可采用良导电材料作为屏蔽体，此时由于频率高，趋肤深度δ很小，多次反射项B趋于0，可以忽略不计，所以电磁屏蔽体无需做得很厚，厚度只要能够达到工艺强度要求即可；同时考虑到高压大电流放电干扰，电磁辐射能量大，为增强屏蔽效果，将主要干扰源和最易受干扰的部件同时屏蔽；高压触发器是高压产生装置，属于最严重的干扰部件，而控制电路板是易受干扰的薄弱环节，对这两个部件同时屏蔽，实践证明对降低辐射干扰非常有效。

2.3 时域上适时回避

由于超高压汞灯高压大电流放电干扰仅在每次开机时出现，持续时间很短（几分钟），在时间上具有确定性，因此可以采用时域上主动回避的办法，在触发点灯时，对一些无需开启电源而又对干扰异常敏感的电子装置或器件，可以利用电子开关关闭一些信号通道，或切断一些敏感装置电源，以免受触发干扰的侵扰，待瞬时干扰过后,再重新打开信号通道、接通电源,恢复系统工作；这样无需采取特别的干扰抑制措施和成本代价，即可达到电磁兼容效果，并且对原装置不会产生任何影响。

3 结束语

超高压汞灯电源工作时内部复杂的电磁干扰环境，给电源研制带来很大挑战；尤其超高压汞灯启动时的高压大电流放电干扰，放电能量大，电磁干扰强，对电源自身和周围电子装置危害更大，要有效抑制干扰，必须从电磁干扰的产生源，耦合和干扰途径，受体抗干扰能力等方面全程考虑，从整个电磁环境的频域、空域、时域多维入手，将屏蔽、滤波、接地等技术多重结合，采取多种措施，这样才能有效抑制和防范干扰，取得理想的电磁兼容效果。

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[2] 赵凯华，陈熙谋.电磁学［M］.北京:高等教育出版社，2011.

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