YAG激光電源的電磁兼容性探討

1前言

電磁兼容是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。因?yàn)殡姶鸥蓴_不僅影響電子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備中的元器件損害。因此，對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要注意電子設(shè)備不受周?chē)姶鸥蓴_的影響而能正常工作，又要注意電子設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾不影響周?chē)渌O(shè)備的正常運(yùn)行。

目前的YAG激光電源均采用了開(kāi)關(guān)電源，它是將工頻交流直接整流成直流，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件逆變成高頻交流，再通過(guò)高頻變壓器隔離升壓，經(jīng)過(guò)高頻整流后給儲(chǔ)能電容器充電，最后經(jīng)氙燈放電給激光電源提供能量。

激光電源是一種強(qiáng)電磁干擾源。其產(chǎn)生的電磁干擾，可通過(guò)傳導(dǎo)和輻射對(duì)電磁敏感設(shè)備產(chǎn)生影響，可能使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此，有必要對(duì)激光器產(chǎn)生的電磁干擾的種類(lèi)和量級(jí)進(jìn)行測(cè)量，并分析激光器產(chǎn)生的電磁干擾的原因，以便采取有針對(duì)性的電磁兼容性措施，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

2電磁兼容性摸底試驗(yàn)

2?1試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?

按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)。電磁兼容性試驗(yàn)的目的，一是檢測(cè)設(shè)備的電磁兼容性是否符合國(guó)標(biāo)的規(guī)定，二是檢測(cè)出不符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的具體項(xiàng)目的頻帶和參數(shù)，以便進(jìn)行有針對(duì)性的電磁兼容性設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證整個(gè)系統(tǒng)能正常工作。

2?2試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)和條件

2000年11月17日于北京信息產(chǎn)業(yè)部電子第3研究所電磁兼容實(shí)驗(yàn)室。

激光器分別采用重頻1Hz、20Hz、60Hz，850V充電電壓工作。

2?3試驗(yàn)內(nèi)容

進(jìn)行了以下兩項(xiàng)主要試驗(yàn)：

（1）電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

激光器采用重頻60Hz，850V充電電壓工作。在火線和零線上分別測(cè)試電源線傳導(dǎo)發(fā)射。圖1為激光器采用重頻60Hz時(shí)火線上的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻譜圖，圖2為激光器采用重頻60Hz時(shí)零線上的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻譜圖。

根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定和激光器為一類(lèi)電磁兼容性的設(shè)備應(yīng)有6dB的安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)值在圖中用實(shí)折線標(biāo)出，而虛折線為無(wú)安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)試結(jié)果

圖1激光器采用重頻60Hz時(shí)火線上的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻譜圖

圖2激光器采用重頻60Hz時(shí)零線上的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻譜圖

圖3激光器采用重頻20Hz時(shí)的電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試頻譜圖

如下：

①?gòu)臏y(cè)試頻譜圖1上可知火線上電源線傳導(dǎo)發(fā)射的試驗(yàn)值多處超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

②從測(cè)試頻譜圖2上可知零線上電源線傳導(dǎo)發(fā)射的試驗(yàn)值均在標(biāo)準(zhǔn)值下。

表1激光器重頻60Hz，火線上電源線傳導(dǎo)發(fā)射

的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

頻率高于20MHz的試驗(yàn)采用掃頻測(cè)試的方法測(cè)試電場(chǎng)輻射發(fā)射，激光器采用重頻20Hz，850V充電電壓工作。圖3為激光器采用重頻20Hz時(shí)的測(cè)試頻譜圖。

根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定和激光器為一類(lèi)電磁兼容性的設(shè)備應(yīng)有的6dB的安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)值在圖中用實(shí)折線標(biāo)出，而虛折線為無(wú)安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)試結(jié)果如下：

①電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)只在大于頻率800MHz的試驗(yàn)值滿足國(guó)標(biāo)的規(guī)定，其余均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

②頻率低于20MHz的試驗(yàn)采用點(diǎn)頻測(cè)試的方法，激光器采用重頻1Hz，850V充電電壓工作，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3結(jié)果分析及改進(jìn)措施

3?1電源線上傳導(dǎo)發(fā)射

（1）電源線上傳導(dǎo)發(fā)射的原因及應(yīng)對(duì)措施

①由于激光電源在運(yùn)行過(guò)程中造成工頻波形的畸變，產(chǎn)生大量的諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

②由于激光器采用20kHz以上的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的高電壓高次諧波在電源線上傳導(dǎo)發(fā)射。

而該臺(tái)激光電源沒(méi)有設(shè)置電源濾波器。對(duì)此，在供電進(jìn)線處應(yīng)采取抑制電源線傳導(dǎo)干擾的主要措施——安裝電源濾波器。

（2）電源濾波器的設(shè)計(jì)和選用

電源線中的干擾分為兩種：

一種是共模干擾，即在相線與地線間、中線與地線間存在的干擾。共模干擾在相線與中線中同時(shí)存在，大小相等，相位相同。

另一種是差模干擾，即在相線與中線間存在的干擾。差模干擾在相線與中線中同時(shí)存在，大小相等，相位相反。

由于電源線中往往同時(shí)存在上述兩種干擾，因此一般電源濾波器由共模濾波電路（L1、L2和CG）和差模濾波電路（L1和L2的差值與CC）綜合構(gòu)成。如圖4所示，其中L1和L2為繞在同一磁環(huán)上的兩個(gè)匝數(shù)相同、繞向相同的獨(dú)立線圈，當(dāng)電源頻率分量經(jīng)過(guò)時(shí)，由于磁通抵消，電感很小，易于通過(guò)。當(dāng)共模頻率分量經(jīng)過(guò)時(shí)，由于磁通相加，電感很大，不易通過(guò)而被抑制。

表2激光器電場(chǎng)輻射發(fā)射的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

共模電感L1和L2一般在0.3mH至38mH，共模電容CG要在漏電流小于幾mA前提下取較大值。差模電感一般在幾十μH至幾百μH，差模電容要選擇耐壓足夠高的陶瓷或聚酯電容器。市場(chǎng)上賣(mài)的電源濾波器一般是對(duì)共模干擾設(shè)計(jì)的，如果要對(duì)差模干擾起作用，應(yīng)該另外增加兩個(gè)獨(dú)立的差模抑制電感。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料（1J8510.02mm）或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料（國(guó)產(chǎn)ZW?1）效果較好，而不用開(kāi)口鐵氧體材料。

應(yīng)用一般電源濾波器與信號(hào)濾波器的不同之處在于阻抗搭配。應(yīng)用一般信號(hào)濾波器時(shí)，為使傳輸?shù)男盘?hào)損耗小，應(yīng)盡量使電源阻抗、濾波器阻抗和負(fù)載阻抗匹配。相反，應(yīng)用一般電源濾波器時(shí)，為抑制傳輸?shù)母蓴_信號(hào)，應(yīng)盡量使電源阻抗、濾波器阻抗和負(fù)載阻抗不匹配。

設(shè)計(jì)和選用電源濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際情況而定。首先測(cè)量傳導(dǎo)干擾的電平，再與電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，選擇對(duì)超標(biāo)信號(hào)的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器。對(duì)于該激光電源可以選擇頻帶10kHz～10MHz，插入損耗大于20dB的電源濾波器。

3?2電場(chǎng)輻射發(fā)射

（1）電場(chǎng)輻射發(fā)射的原因及應(yīng)對(duì)措施

①由于激光電源是高壓大電流脈沖設(shè)備，其放電過(guò)程中產(chǎn)生大量的高電壓高次諧波，形成很強(qiáng)的電場(chǎng)輻射發(fā)射。對(duì)此，高壓放電線應(yīng)采用外加屏蔽的同軸電纜。

②由于激光器采用20kHz以上的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，為此，應(yīng)對(duì)激光電源加強(qiáng)電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

（2）屏蔽的設(shè)計(jì)和選用

①屏蔽的設(shè)計(jì)和選用

由于該激光電源沒(méi)有注意屏蔽設(shè)計(jì)，致使激光電源外部存在很強(qiáng)的電場(chǎng)輻射發(fā)射。屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地為零電位。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。屏蔽體的厚度不必過(guò)大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。根據(jù)電磁兼容性試驗(yàn)檢測(cè)的電場(chǎng)輻射發(fā)射頻帶和參數(shù)，對(duì)于該激光電源可以選擇頻帶10kHz～800MHz，屏蔽效能大于80dB的電導(dǎo)率高的或磁導(dǎo)率高的材料作屏蔽體。

②屏蔽的注意事項(xiàng)

圖4一般電源濾波器

a注意屏蔽的完整性如果屏蔽體不完整，將導(dǎo)致電磁場(chǎng)泄漏。特別是電磁場(chǎng)屏蔽，它利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)干擾。如果屏蔽體不完整，渦流的效果降低，即屏蔽的效果大打折扣。

b注意下述特殊部位的屏蔽措施

?接縫處理接縫處理不好將使屏蔽體的屏蔽效果降低。對(duì)固定的接縫最好采用連續(xù)焊接。焊接前，應(yīng)將要焊接表面的非導(dǎo)電物質(zhì)清除干凈。要盡可能對(duì)全部外殼間斷處進(jìn)行搭接。對(duì)非固定的接縫應(yīng)采用導(dǎo)電襯墊并壓緊，以提高接縫的電磁密封效果。常用的導(dǎo)電襯墊材料有金屬編織物、含有金屬絲的橡膠等。對(duì)活動(dòng)的接縫，如門(mén)框上，采用彈性指簧以提高接縫的電磁屏蔽效果。

?孔眼屏蔽當(dāng)有通風(fēng)、照明、加水、測(cè)量等需要時(shí)，為提高設(shè)備的電磁屏蔽效果，應(yīng)采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果與電磁波的頻率、孔眼的尺寸和數(shù)量等參數(shù)有關(guān)。

?編織屏蔽因電纜需要活動(dòng)和彎曲，其屏蔽采用編織帶的形式。編織帶的屏蔽效果隨編織密度的增大而增加，隨電磁波的頻率的增大而降低。一般電纜的屏蔽層是用不導(dǎo)磁的金屬絲編織的，可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。如需實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽，電纜的屏蔽層應(yīng)采用導(dǎo)磁的金屬絲編織。

?蜂房板屏蔽當(dāng)設(shè)備的通風(fēng)和屏蔽要求較高時(shí)，采用蜂房板屏蔽有較好的效果。蜂房板屏蔽是利用許多并列的六角形金屬管焊在一起構(gòu)成的。其中每一個(gè)金屬管都起波導(dǎo)衰減器的作用，而通風(fēng)的風(fēng)壓降不大。蜂房板的電磁屏蔽效果取決于波導(dǎo)管的衰減特性，即與波導(dǎo)管的幾何尺寸有關(guān)。

?面板孔屏蔽當(dāng)設(shè)備需要安裝表頭、數(shù)據(jù)或圖形顯示器時(shí)，應(yīng)對(duì)面板孔加以屏蔽，以保證屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的較好方法為在表頭或顯示器的后方設(shè)置屏蔽罩，屏蔽罩通過(guò)導(dǎo)電襯墊與金屬面板連接，通過(guò)屏蔽罩的進(jìn)出線設(shè)置穿心電容。

?電連接器屏蔽選擇的屏蔽式電連接器應(yīng)有足夠的插針，供電纜內(nèi)各個(gè)屏蔽層在電連接器頭端接，在電連接器座內(nèi)各個(gè)屏蔽層的插針，用盡量短的連線接到外殼后，再接到殼內(nèi)各個(gè)相應(yīng)屏蔽層上。為保證屏蔽的完整性，要沿著電纜一周，將電纜的外屏蔽層和電連接器整個(gè)地連接，最好是焊接；電連接器座應(yīng)與設(shè)備的金屬外殼保持良好的電氣連接；電連接器頭也應(yīng)與電連接器座保持好的電氣連接。

（3）接地的設(shè)計(jì)

接地設(shè)計(jì)的好壞對(duì)激光電源的安全運(yùn)行、正常工作和屏蔽效果都是非常重要的。為此，對(duì)該臺(tái)激光電源的接地進(jìn)行重新設(shè)計(jì)如下：

①接地的種類(lèi)和目的

電子設(shè)備一般有兩種接地。

一種是安全接地。即將機(jī)殼接地，當(dāng)機(jī)殼帶電時(shí)，促使電源的保護(hù)電器動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)操作人員的安全。

另一種是工作接地。工作接地給電路系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，同時(shí)也可將高頻干擾引走。但是不正確的工作接地反而會(huì)增加干擾。比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等。工作接地按工作頻率采用不同的接地方式。由于該激光電源的工作頻率較低（小于1MHz）而采用單點(diǎn)接地式（即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上，并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓）。為防止工頻和其它雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。且只在功率地、機(jī)殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連。

②接地電阻的要求

接地電阻越小越好。因?yàn)楫?dāng)有電流流過(guò)接地電阻時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電壓，引發(fā)共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓一方面使設(shè)備受到反擊過(guò)電壓的影響，另一方面使操作人員受到電擊傷害的威脅。因此一般要求接地電阻小于4Ω。

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：

一是降低接地線電阻，為此要用總截面大和長(zhǎng)度小的多股細(xì)導(dǎo)線。因?yàn)殡娮韬蛯?dǎo)線的總截面成反比、長(zhǎng)度成正比，并與通過(guò)電流的趨膚效應(yīng)有關(guān)。

二是降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓和接地極緊密又牢靠地連接并要增加接地極和土壤之間的面積與接觸的緊密度。

三是降低地電阻，為此要增加接地極的表面積和增加土壤的導(dǎo)電率（如在土壤中注入鹽水）。

③激光電源機(jī)柜接地

綜上所述，激光電源機(jī)柜的接地見(jiàn)圖5。

激光電源機(jī)柜的接地說(shuō)明：

——交流供電采用單相三線制，50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處；

——為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，不許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線；

——為防止高電壓、大電流和強(qiáng)功率電路（如電源、繼電器、電機(jī)）對(duì)低電平電路（如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等）的干擾，將它們的接地分開(kāi)。前者為功率地（強(qiáng)電地），后者為信號(hào)地（弱電地）。而信號(hào)地又分為數(shù)字地和模擬地。信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣；

圖5激光電源機(jī)柜的接地

——對(duì)于信號(hào)地線可另設(shè)一信號(hào)地螺栓（和機(jī)柜外殼相絕緣），該信號(hào)地螺栓與安全接地螺栓的連接有三種方法（取決于接地的效果）：一是不連接，而成為浮地式；二是直接連接，而成為單點(diǎn)接地式；三是通過(guò)一3μF電容器連接，而成為直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后匯聚在安全接地螺栓上（該點(diǎn)應(yīng)位于交流電源的進(jìn)線處），然后通過(guò)接地線將接地極埋在土壤中。

4結(jié)語(yǔ)

激光電源是強(qiáng)電磁干擾源。如果不加以抑制，將可能影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。為此，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)，檢測(cè)出不符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的具體項(xiàng)目的頻帶和參數(shù)，以便進(jìn)行有針對(duì)性的電磁兼容性設(shè)計(jì)改進(jìn)，保證整個(gè)系統(tǒng)能正常工作。