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YAG激光电源的电磁兼容性探讨 |
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1前言
电磁兼容是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。因为电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰的影响而能正常工作，又要注意电子设备本身产生的电磁干扰不影响周围其他设备的正常运行。
目前的YAG激光电源均采用了开关电源，它是将工频交流直接整流成直流，通过开关器件逆变成高频交流，再通过高频变压器隔离升压，经过高频整流后给储能电容器充电，最后经氙灯放电给激光电源提供能量。
激光电源是一种强电磁干扰源。其产生的电磁干扰，可通过传导和辐射对电磁敏感设备产生影响，可能使整个系统无法正常工作。因此，有必要对激光器产生的电磁干扰的种类和量级进行测量，并分析激光器产生的电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证整个系统正常工作。
2电磁兼容性摸底试验
2.1试验目的和方法
按照国标进行电磁兼容性试验。电磁兼容性试验的目的，一是检测设备的电磁兼容性是否符合国标的规定，二是检测出不符合国标规定的具体项目的频带和参数，以便进行有针对性的电磁兼容性设计改进，保证整个系统能正常工作。
2.2试验时间、地点和条件
2000年11月17日于北京信息产业部电子第3研究所电磁兼容实验室。
激光器分别采用重频1Hz、20Hz、60Hz，850V充电电压工作。
2.3试验内容
进行了以下两项主要试验：
（1）电源线传导发射试验
激光器采用重频60Hz，850V充电电压工作。在火线和零线上分别测试电源线传导发射。图1为激光器采用重频60Hz时火线上的电源线传导发射测试频谱图，图2为激光器采用重频60Hz时零线上的电源线传导发射测试频谱图。
根据国标的规定和激光器为一类电磁兼容性的设备应有6dB的安全系数。标准值在图中用实折线标出，而虚折线为无安全系数的标准值。测试结果如下：
①从测试频谱图1上可知火线上电源线传导发射的试验值多处超过标准值。具体数据见表1。
图1 激光器采用重频60Hz时火线上的电源线传导发射测试频谱图
图2 激光器采用重频60Hz时零线上的电源线传导发射测试频谱图
②从测试频谱图2上可知零线上电源线传导发射的试验值均在标准值下。
表1激光器重频60Hz，火线上电源线传导发射的数据与标准对比 频率（MHz） 试验值（dBμA） 标准值（dBμA） 超标（dBμA）
（2）电场辐射发射试验
频率高于20MHz的试验采用扫频测试的方法测试电场辐射发射，激光器采用重频20Hz，850V充电电压工作。图3为激光器采用重频20Hz时的测试频谱图。
图3 激光器采用重频20Hz时的电场辐射发射测试频谱图
根据国标的规定和激光器为一类电磁兼容性的设备应有的6dB的安全系数。标准值在图中用实折线标出，而虚折线为无安全系数的标准值。测试结果如下：
①电场辐射发射试验只在大于频率800MHz的试验值满足国标的规定，其余均超过标准值。
②频率低于20MHz的试验采用点频测试的方法，激光器采用重频1Hz，850V充电电压工作，详细数据见表2。
3结果分析及改进措施
3.1电源线上传导发射
（1）电源线上传导发射的原因及应对措施
①由于激光电源在运行过程中造成工频波形的畸变，产生大量的谐波在电源线上传导发射。
②由于激光器采用20kHz以上的高频高压开关电源，其运行过程中产生大量的高电压高次谐波在电源线上传导发射。
而该台激光电源没有设置电源滤波器。对此，在供电进线处应采取抑制电源线传导干扰的主要措施——安装电源滤波器。
（2）电源滤波器的设计和选用
电源线中的干扰分为两种：
一种是共模干扰，即在相线与地线间、中线与地线间存在的干扰。共模干扰在相线与中线中同时存在，大小相等，相位相同。
另一种是差模干扰，即在相线与中线间存在的干扰。差模干扰在相线与中线中同时存在，大小相等，相位相反。
由于电源线中往往同时存在上述两种干扰，因此一般电源滤波器由共模滤波电路（L1、L2和CG）和差模滤波电路（L1和L2的差值与CC）综合构成。如图4所示，其中L1和L2为绕在同一磁环上的两个匝数相同、绕向相同的独立线圈，当电源频率分量经过时，由于磁通抵消，电感很小，易于通过。当共模频率分量经过时，由于磁通相加，电感很大，不易通过而被抑制。
表2激光器电场辐射发射的数据与标准对比 频率（MHz） 试验值（dBμV/m） 标准值（dBμV/m） 超标（dBμV/m）
共模电感L1和L2一般在0.3mH至38mH，共模电容CG要在漏电流小于几mA前提下取较大值。差模电感一般在几十μH至几百μH，差模电容要选择耐压足够高的陶瓷或聚酯电容器。市场上卖的电源滤波器一般是对共模干扰设计的，如果要对差模干扰起作用，应该另外增加两个独立的差模抑制电感。共模电感的磁性材料以金属磁性材料（1J8510.02mm）或非晶、超微晶磁性材料效果较好。差模电感的磁性材料以金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火的磁性材料（国产ZW？1）效果较好，而不用开口铁氧体材料。
应用一般电源滤波器与信号滤波器的不同之处在于阻抗搭配。应用一般信号滤波器时，为使传输的信号损耗小，应尽量使电源阻抗、滤波器阻抗和负载阻抗匹配。相反，应用一般电源滤波器时，为抑制传输的干扰信号，应尽量使电源阻抗、滤波器阻抗和负载阻抗不匹配。
设计和选用电源滤波器一定要根据电路的实际情况而定。首先测量传导干扰的电平，再与电磁兼容的标准进行比较，选择对超标信号的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。对于该激光电源可以选择频带10kHz～10MHz，插入损耗大于20dB的电源滤波器。
3.2电场辐射发射
（1）电场辐射发射的原因及应对措施
①由于激光电源是高压大电流脉冲设备，其放电过程中产生大量的高电压高次谐波，形成很强的电场辐射发射。对此，高压放电线应采用外加屏蔽的同轴电缆。
②由于激光器采用20kHz以上的高频高压开关电源，为此，应对激光电源加强电磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。
（2）屏蔽的设计和选用
①屏蔽的设计和选用
由于该激光电源没有注意屏蔽设计，致使激光电源外部存在很强的电场辐射发射。屏蔽设计时，一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地为零电位。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。根据电磁兼容性试验检测的电场辐射发射频带和参数，对于该激光电源可以选择频带10kHz～800MHz，屏蔽效能大于80dB的电导率高的或磁导率高的材料作屏蔽体。
②屏蔽的注意事项
图4 一般电源滤波器
a注意屏蔽的完整性如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏。特别是电磁场屏蔽，它利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰。如果屏蔽体不完整，涡流的效果降低，即屏蔽的效果大打折扣。
b注意下述特殊部位的屏蔽措施
？接缝处理接缝处理不好将使屏蔽体的屏蔽效果降低。对固定的接缝最好采用连续焊接。焊接前，应将要焊接表面的非导电物质清除干净。要尽可能对全部外壳间断处进行搭接。对非固定的接缝应采用导电衬垫并压紧，以提高接缝的电磁密封效果。常用的导电衬垫材料有金属编织物、含有金属丝的橡胶等。对活动的接缝，如门框上，采用弹性指簧以提高接缝的电磁屏蔽效果。
？孔眼屏蔽当有通风、照明、加水、测量等需要时，为提高设备的电磁屏蔽效果，应采用孔眼屏蔽。孔眼屏蔽的效果与电磁波的频率、孔眼的尺寸和数量等参数有关。
？编织屏蔽因电缆需要活动和弯曲，其屏蔽采用编织带的形式。编织带的屏蔽效果随编织密度的增大而增加，随电磁波的频率的增大而降低。一般电缆的屏蔽层是用不导磁的金属丝编织的，可以实现电场屏蔽。如需实现磁场屏蔽，电缆的屏蔽层应采用导磁的金属丝编织。
？蜂房板屏蔽当设备的通风和屏蔽要求较高时，采用蜂房板屏蔽有较好的效果。蜂房板屏蔽是利用许多并列的六角形金属管焊在一起构成的。其中每一个金属管都起波导衰减器的作用，而通风的风压降不大。蜂房板的电磁屏蔽效果取决于波导管的衰减特性，即与波导管的几何尺寸有关。
？面板孔屏蔽当设备需要安装表头、数据或图形显示器时，应对面板孔加以屏蔽，以保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩，屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接，通过屏蔽罩的进出线设置穿心电容。
电连接器屏蔽选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针，供电缆内各个屏蔽层在电连接器头端接，在电连接器座内各个屏蔽层的插针，用尽量短的连线接到外壳后，再接到壳内各个相应屏蔽层上。为保证屏蔽的完整性，要沿着电缆一周，将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接，最好是焊接；电连接器座应与设备的金属外壳保持良好的电气连接；电连接器头也应与电连接器座保持好的电气连接。
（3）接地的设计
接地设计的好坏对激光电源的安全运行、正常工作和屏蔽效果都是非常重要的。为此，对该台激光电源的接地进行重新设计如下：
①接地的种类和目的
电子设备一般有两种接地。
一种是安全接地。即将机壳接地，当机壳带电时，促使电源的保护电器动作而切断电源，以便保护操作人员的安全。
另一种是工作接地。工作接地给电路系统提供一个基准电位，同时也可将高频干扰引走。但是不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。工作接地按工作频率采用不同的接地方式。由于该激光电源的工作频率较低（小于1MHz）而采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓）。为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连。
②接地电阻的要求
接地电阻越小越好。因为当有电流流过接地电阻时，将会产生电压，引发共地阻抗的电磁干扰。另外，该电压一方面使设备受到反击过电压的影响，另一方面使操作人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于4Ω。
接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种：
一是降低接地线电阻，为此要用总截面大和长度小的多股细导线。因为电阻和导线的总截面成反比、长度成正比，并与通过电流的趋肤效应有关。
二是降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓和接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的面积与接触的紧密度。
三是降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。
③激光电源机柜接地
综上所述，激光电源机柜的接地见图5。
图5 激光电源机柜的接地
激光电源机柜的接地说明：
——交流供电采用单相三线制，50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处；
——为防止机壳带电，危及人身安全，不许用电源零线作地线代替机壳地线；
——为防止高电压、大电流和强功率电路（如电源、继电器、电机）对低电平电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）的干扰，将它们的接地分开。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地）。而信号地又分为数字地和模拟地。信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘；
——对于信号地线可另设一信号地螺栓（和机柜外壳相绝缘），该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法（取决于接地的效果）：一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处），然后通过接地线将接地极埋在土壤中。
4 结语
激光电源是强电磁干扰源。如果不加以抑制，将可能影响其它设备的正常运行。为此，应当进行电磁兼容性试验，检测出不符合国标规定的具体项目的频带和参数，以便进行有针对性的电磁兼容性设计改进，保证整个系统能正常工作。(end)
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(5/30/2011) |
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