] 对于上述求解过程，利用Matlab编写对应的求解程序，在Matlab程序中进行初始 参数输入时，较为重要的是确定采样频率和采样点数，采样频率的确定需满足采样定理，为 了提高计算速度，程序中直接采用快速傅里叶变换（FFT)，采样点数取为2的幂次方。
[0083] 求解的过程中，线缆长度、距地高度、线缆半径、大地电导率、相对介电常数等参数 对于线缆上的电流/电压结果均有影响。
[0084] 通过编写Matlab仿真程序将各参数对线上电流/电压的影响进行分析，研究发 现：线缆半径、大地电导率、相对介电常数对于线上的电流/电压的影响较小，而最主要的 影响因素是线缆长度和距地高度。
[0085] ⑶确定所需的防护设计指标。
[0086] 依据电源线受到核电磁干扰时耦合电流波形的上升时间约10ns，峰值小于500A; 其防护指标是：过流量为1000A，响应时间为ns级，插入损耗大于30dB;依据上述参数，根 据测试标准进行MIL-188-125的测试，依据测试标准和仿真结果确定电源滤波器的防护指 标为：过流量为1000A，响应时间为ns级，插入损耗大于30dB;
[0087] (4)选择合适的滤波电路并确定所需滤波器元件。
[0088] 图5给出了滤波器电路图，滤波电路中选择两个5KP36CA的TVS管作为一级防护， 两个5KP36CA串联连接在输出端，串联连接点接零电位；当TVS管两端经受瞬间的高能量冲 击时，能以极快的速度把两端之间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，从而吸收瞬间的大电流， 最终将其两端电压箝位在一个预定的数值上，以保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉 冲的冲击。在输出端串联连接两个22nF电容，两个22nF电容电连接点之间接零电位；串联 连接的两个22nF电容两端与串联连接的两个TVS管并联连接。
[0089] 考虑到电路设计中有一定的裕度，选择将压敏电阻作为二级防护。如图5所示，在 输入端有串接的两个压敏电阻，两个压敏电阻的串联连接点接零电位。压敏电阻在休息状 态时，相对于受保护的电子组件而言，具有很高的阻抗（数兆欧姆）而且不会改变原设计之 电路特性，但当瞬间突波电压出现（超过压敏电阻之崩溃电压时），该压敏电阻之阻抗会变 低（仅有几个欧姆而已）并造成原线路短路；电子产品或组件因此而受到保护。
[0090] 稳态电路根据常规电源抗电磁干扰滤波器，即按EMI滤波器的设计方法进行设 计：对应电子器件为图5中一个1yF电容和两个22nF电容，以及两对5mH和30μΗ电感。 其中1yF电容用于滤除低频差模电磁干扰，两对5mH和30μΗ电感用于滤除低频共模电磁 干扰，两个22nF电容用于滤除高频差模和共模电磁干扰。
[0091] (5)仿真滤波器插入损耗是否满足设计指标。
[0092] 滤波器的插入损耗分为共模和差模两种形式，其滤波仿真结果分别如图6和图7 所示。可见，所设计的抗核电磁脉冲电源线滤波器，其共模插入损耗可达70dB，差模插入损 耗接近30dB。满足设计指标。
[0093] (6)满足设计指标，可以进行电路输出；否则，重新返回⑷进行滤波电路的设计， 直至满足要求。
[0094] 本发明中，抗核电磁脉冲电源线滤波器的设计分为两部分：瞬态抑制部分和稳态 抑制部分。瞬态抑制部分主要抑制脉冲幅度大、上升时间短的核电磁脉冲，依靠瞬态抑制器 件完成；稳态部分主要抑制进入电网的幅度小、上升时间缓慢的普通电磁干扰，可通过传统 电源滤波器件实现。
[0095] 1.瞬态抑制部分的设计方法
[0096] 常用的瞬态抑制器件主要有气体放电管（⑶T)、压敏电阻（MOV)和瞬态抑制二极 管（TVS)。该类器件与被保护电路并联，以旁路的方式将瞬间的大能量泄放至地。
[0097] 气体放电管的内部充有一定的惰性气体，无浪涌电压时，其阻抗非常大，无法导 通。一旦浪涌电压侵入，管里的气体发生电离，产生了自由电子和正离子，此时放电管便可 以导通。随之管内电压下降，设备两端电压便会降低，这样给浪涌电压提供了泄放电路，使 得大部分的瞬态能量被转移掉，从而保护设备免受过电压浪涌的损坏。
[0098] 压敏电阻又称为金属氧化物变阻器，是一种电压敏感型器件，是目前电子产品中 使用最多的尖峰抑制元件。它是一种非线性的元件，当处于低电压的预击穿区时，其伏安特 性受外界的热激发射电流效应控制，表现为电流饱和的高阻抗性，即压敏电阻的电阻值；一 旦电压超过了某一定值后，其伏安特性曲线进入击穿区，热激发射电流的导电机制已不起 主要作用，代之起决定作用的是隧穿电流导电机制，电阻值会随着电压的增大而急剧变小。 [0099] 瞬态抑制二极管是一种箝位型瞬态抑制器件。当其两端经受瞬间的高能量冲击 时，能以极快的速度把两端之间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，从而吸收瞬间的大电流，最 终将其两端电压箝位在一个预定的数值上，以保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲 的冲击。
[0100] 三种器件的特性如表1所示，从响应时间看，TVS管的响应时间最短，且其响应时 间小于核电磁脉冲的上升时间，故可用于核电磁脉冲的防护中。通常将TVS管作为一级防 护；压敏电阻的功率容量较大，可用于二级防护。
[0101] 选取瞬态抑制器件时，要在瞬态抑制器件特性的基础上，结合仿真得到的线上耦 合的电流幅值和上升沿，确定抑制器件需要满足的两个原则：器件的响应时间小于线上电 流/电压波形的上升时间；器件的通流量大于线上耦合电流的最大值。对于电源线，基本上 不需要考虑器件的结电容大小对线上传输信号的影响，故根据这两个原则便可确定选定所 需的瞬态抑制器件，完成瞬态部分的设计。
[0102] 表1常用瞬态保护器件特性
[0103]
【主权项】
1. 一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，其特征是：至少包括如下步骤： (1) 核电磁脉冲干扰W双指数函数作为模型进行模拟，其场强表达式如下： E(t)=E〇·k· (e ut-eet) (1) 式中，E〇= 5Xl〇4y/m，k= 1.3,曰=4Xl〇Vs，β = 6Xl(yVs ; (2) 依据步骤（1)计算干扰源在电源线缆上的最大禪合量级； 核电磁脉冲对长导体禪合取传输线模型，即利用Agrawal数学模型，其二阶微分方程 为：(2) 其中，V为散射电压，E,为到达线缆的场强，Z为沿线缆方向坐标，I为沿传输线电流，Y2=ZY，Z、Y分别为传输线对地的单位长度阻抗和导纳； 线上禪合电流的二阶微分方程，其解的形式包括通解和特解两部分； 通解为式中，Zi为源端阻抗，Z2为负载端阻抗，Z。为传输线的特性阻抗； 对于单线电缆，其单位长度的电感、电容计算如下：(10)(11) 其中，h为线缆距地面高度，a为线缆半径，μ。为真空磁导率，ε。为真空电容率， 特性阻抗Ζ。计算式为：; (12) (3) 依据步骤（2)的结果，确定防护指标； (4) 选择滤波电路，确定滤波电路所需滤波器元件； (5) 滤波器插入损耗是否满足设计指标；满足设计指标，可W进行电路输出；否则，返 回步骤（4)重新确定滤波电路所需滤波器元件；直至满足要求。2. 根据权利要求1所述的一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，其特征是：所 述的步骤（4)中所述的滤波电路中包括两个5KP36CA的TVS管作为一级防护，两个5KP36CA 串联连接在输出端，串联连接点接零电位，在输出端串联连接两个22nF电容，两个22nF电 容电连接点之间接零电位；串联连接的两个22nF电容两端与串联连接的两个TVS管并联连 接；还包括在输入端有串接的两个压敏电阻，两个压敏电阻的串联连接点接零电位，与输入 端有1μΡ电容，1μΡ电容与串联连接的两个压敏电阻两端并联，在一个1μΡ电容和两个 22nF电容之间，包括正回路的一对5恤和30μΗ电感和负回路的一对5恤和30μΗ电感，其 中1μΡ电容用于滤除低频差模电磁干扰，两对5恤和30μΗ电感用于滤除低频共模电磁干 扰，两个22nF电容用于滤除高频差模和共模电磁干扰。3. 根据权利要求1所述的一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，其特征是：所 述的步骤（3)中，防护指标为：过流量为1000A，响应时间为ns级，插入损耗大于30地。
【专利摘要】本发明涉及一种抗核电磁脉冲的电源线滤波器设计方法，该方法通过确定核电磁脉冲干扰的数学模型，依据数学模型计算干扰源在电源线缆上的最大耦合量级；依据最大耦合量级确定防护指标；然后选择滤波电路，确定滤波电路所需滤波器元件；通过滤波器插入损耗反复调试，确定滤波电路所需滤波器元件；直至满足要求。在选择滤波电路中，电源线滤波器的设计分为两部分：瞬态抑制部分和稳态抑制部分。瞬态抑制部分主要抑制脉冲幅度大、上升时间短的核电磁脉冲，依靠瞬态抑制器件完成；稳态部分主要抑制进入电网的幅度小、上升时间缓慢的普通电磁干扰，可通过传统电源滤波器件实现。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105243198
【申请号】CN201510602525
【发明人】邱扬, 张建国, 田锦
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月21日