（通信与信息系统专业论文）电源波动对通信设备性能影响的研究.pdf

武汉邮电科学研究院硕士学位论文 摘要 电源是通信设备不可缺少的重要组成部分，电源质量的优劣以及保护措施是否 合理、得当，都会影响到通信设备的可靠性。 过欠压一直是困扰各种通信设备的一个重要隐患，随着工业上各种新设备的不 断投入及设备使用芯片的精密度不断提高，使得电源波动对通信设备的影响成为 不可忽视的问题，工业上一般的通信设备使用的电源只是提供给设备一个工作电 压，本身没有抗过欠压的保护模块，因此当有过欠压等干扰信号产生时，电源容 易损坏、被击毁。这样就会影响通信设备的正常工作。 因此本文分析了现代通信设备电源中存在的问题，针对电源系统中存在的严重 过欠压干扰的特性，综合电源的优点，对智能化电源的过欠压监测和防护技术提 出了研究方案，在该方案中对电源模块的过欠压特性进行了分析、研究和保护。 该方案的创新点是采用l t 4 2 5 0 l c s 8 电源管理芯片，具有对上电冲击的抑制和引入 电源的过欠压监测的功能，并且每当检测到过压或欠压时能自动切断电路，从而 保护设备机盘不受损害，当电源电压恢复到正常范围内时能自动恢复电路正常工 作，当检测到过压或欠压时能立即切断电路，反应迅速；当电压恢复正常时，存 在一定的时延来恢复连接，防止由于电压波动造成电路工作不正常。电路采用i + i 电源供电，结构简单，性能稳定，工艺容易实现，能有效防止电源波动对设备的 影响。 关键词：电源，过欠压保护，通信设备 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi si m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n to fc o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t s ，a n di t sq u a l i t ya n ds a f e g u a r dg r e a t l yi n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m v a r i o u sc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sw e r ep u z z l e db yo v e r & u n d e rv o l t a g ea l l t h r o u g ht h e s ey e a r s w i mv a r i o u sn e we q u i p m e n t sl a u n c h e di n t oi n d u s t r ya n dt h e p r e c i s i o no fc m o sc h i p sb ye q u i p m e n t se n h a n c e di n c e s s a n t l y , t h ei n f l u e n c e o n c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sb yo v e r & u n d e rv o l t a g eb e c a m ea ni n e d m b l ep r o b l e m t h ep o w e rs u p p l yo fg e n e r a li n d u s t r yc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t so n l yp r o v i d e sa w o r k i n gv o l t a g ew i t h o u tp r o t e c t i v em o d u l eo fo v e r & u n d e rv o l t a g er e s i s t a n c e w h e n i n t e r f e r es i g n a l so fo v e r & u n d e r v o l t a g ee t cc o m ei n t ob e i n g ，t h ep o w e rs u p p l yw i l lb e m a n g l e do rd a m a g e d s oa st oc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sw i l ln o tw o r kw e l lo nt h e i n f l u e n c e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r o b l e me x i s ti nt h ep o w e rs u p p l yo fm o d e r n c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t s ，a i m sa tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs e v e r eo v e r & u n d e rv o l t a g e i n t e r f e r ei np o w e rs u p p l ys y s t e m , a n db r i n g sf o r w a r dad e s i g np r o j e c to fan e wt y p e i n t e l l e c t u a l i z e dp o w e rs u p p l yw i t ho v e r & u n d e rv o l t a g ec h e c k i n ga n dp r o t e c t i o n i n t h i sp r o j e c t , w ei n t r o d u c ean e wo v e r & u n d e rv o l t a g es a f e g u a r dt e c h n o l o g yb y l t 4 2 5 0 l c s 8 ，i tc a nc o n t r o lt h ei m p a c t i v eo fe l e c t r i f y , i n s p e c tt h eo v e r & u n d e rv o l t a g e o fi m p o r tp o w e r t h e r e f o r e ，w h e ni n t e r f e r es i g n a l se 珏n e r g e ，i tc u t so f ft h ec i r c u i t a u t o m a t i c a l l ya n dr a p i d l yi no r d e rt op r o t e c tt h ee q u i p m e n t s ，w h e ni n t e r f e r es i g n a l s c o m e b a c k , i tp a s s e st h r o u g has h o r tt i m es oa st of i l t r a t et h en o i s e s t h es t r u c t u r eo f c i r c u i ti ss i m p l ea n dr e l i a b l e ，t h ep r o c e s si se a s yt oi m p l e m e n t i ti sae u d e m o no ft h e c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t s k e y w o r d s ：p o w e rs u p p l y , o v e r & u n d e rv o l t a g es a f e g u a r d , c o m m u n i c a t i o n s 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第一章绪论 电源是一切电子设备的心脏，一切电子设备都离不开电源提供能量。电源它 广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及日常生活等各个方面，是电子设备 和机电设备的基础，它与国民经济各个部门紧密相关，在工农业生产中应用广泛。 因此电源的安全、可靠、稳定性尤为重要n 1 。 1 1 研究现状及问题 随着科学技术的日益进步，大规模及超大规模集成电路的应用越来越广泛， 使得电子产品的体积、功耗及价格大大下降，性能得到极大的提高，电子设备和 系统也得到了广泛的应用。电子系统的优点是显而易见的，但随之产生了一些问 题。由于电子产品体积小、功耗低，一般工作在低压下( 典型值如5 v ，1 2 v 等) ，对 于电源和信号中的电压波动极为敏感，耐受电压波动的能力也非常有限。电子系 统中的电压波动不仅可以引起电子设备的工作失误，系统的误动作，甚至可以造 成电子系统的永久性损坏，从而造成巨大的经济损失。 近几十年来由于电压波动损坏电子设备的事故时有发生，如： 1 9 8 8 年7 月1 日，一场巨大的雷电风暴袭击了瑞典南部。拉恩德城的消防局就 接到了1 4 0 0 个报警电话。由于雷电的原因，一条1 3 0 k v 的高压输电线路中断了，停 电长达8 0 分钟。医院里所有的电灯都灭了，电梯也无法使用，护理重病人需要的 设备也无法工作。由于控制计算机的损坏，备用的紧急发电机启动不起来；电话 系统和火灾报警中心也遭到了损坏，无法找到技术人员来进行维修。半小时过后， 当他们设法手动让备用发电机工作起来后不长时间，由于通风装置过热，备用发 电机又停了。此外低压配电盘、控制室以及计算机终端都受到了严重的损坏洲。 1 9 9 0 年7 月l o 日下午，雷电直击江苏仪征输油泵站，造成油罐液位计和变送器 的集成电路损坏，仪表中断使用一年多才经修复重新投入运行。1 9 9 4 年4 月1 9 日晚， 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 该站又遭重大雷击，站区内所有微机、巡检仪、液位计、可燃气体测报仪以及采 样变送器全部损坏，严重影响了生产，造成了重大经济损失阍。 1 9 9 2 年6 月2 2 日晚，雷电直接击中北京国家气象中心大楼，造成楼内计算机网 络中断，6 条同步线路和1 条国际同步线路中断，系统工作被迫中断4 6 小时，损失 数十万元，并使气象业务受到严重的直接影响，其间接影响更是无法统计删。 据德国一家保险公司统计圆，在通信系统、计算机、测量设备及医疗设备等方 面，由于电源波动造成的损失所支付的赔偿金1 0 年内多了3 倍。在1 9 8 4 年到1 9 8 7 年， 德国的低压电子设备过电压事故增加了一倍，每年因此造成的经济损失高达5 亿马 克；仅1 9 9 0 年由于过电压造成的直接经济损失就超过1 0 亿马克。正是这种日益严 峻的形势使得低压电子设备的电源保护势在必行。 1 2 本课题研究的意义 电源波动会危害和干扰系统的整个电子设备系统的运行，并且可能对操作维 护人员、设备财产造成伤害与损失。这种危害也可波及到用户端，同样会对用户 人身及财产构成威胁。电子设备的损坏除了直接的部件损坏外，还会造成设备工 作中断所导致的经济损失，它可能是设备直接损失的若干倍。再加上现在各行各 业的竞争都很激烈，用户对服务质量要求的日益提高。因此必须采取适当保护措 施以避免因电源波动以及所产生的过电流对设备、线路和相关人员造成危害。当 电压波动较大时，若在电子设备的电源电路中设置电压保护电路，不但能避免设 备的损坏，而且还能扩大电子设备对外界环境的适应能力，提高系统工作的稳定 性和可靠性。 鉴于这种情况，我查阅了国内外大量资料并参考了电源电压保护的最新发展 技术，同时在导师的指导下，对电源波动对通信设备的影响进行了研究，设计了 一个有效的电源波动保护电路。 2 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要创新点和结构 1 3 1 本课题研究的主要创新点 烽火通信生产的产品，对其工作电源进行管理，既是运营商对设备管理的要 求，也是设备正常运行和维护的重要保障条件。以往公司生产的许多重要设备和 机盘，虽然都设计了电源保护功能，但是却带来了很多问题，一方面不同的设备 和机盘采用不同的电路和模块，使得采购部门需要采购大量的不同厂家的功能相 近的芯片，从而造成产品成本上升；另一方面由于采用了不同的模块，使得设备 之间的兼容性很差，不同设备之间的电源保护电路的指标不同，有些设备甚至不 具备过欠压保护。针对以上这些问题，本课题研究的主要内容是为公司产品设计 一个通用的电源保护电路，该实用的带有过欠压检测和保护装置的智能化电路它 具有以下几个创新点： l 、实现了对电源过欠压这个危险信号的检测，并且每当检测到过压或欠压时 能自动切断电路，从而保护设备机盘不受损害，当电源电压恢复到正常范围内时 能自动恢复电路正常工作。 2 、当检测到过压或欠压时能立即切断电路，反应迅速；当电压恢复正常时， 存在一定的时延来恢复连接，防止由于电压波动造成电路工作不正常。 3 、电路采用l t 4 2 5 0 l c s 8 电源管理芯片，具有对上电冲击的抑制和引入电源 的过欠压监测的功能，使得电路集成度高，通用性好。 4 、采用电源1 + 1 保护，保证了电路正常稳定工作。 5 、电路结构简单，性能稳定，工艺容易实现，能有效防止电源波动对设备的 影响。 1 3 2 论文结构 本文一共分为六章，各章内容概述如下： 3 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第一章为论文的绪论部分，简要介绍了课题研究的背景、现状及意义和作者 在该课题所要做的工作；第二章详细介绍了电源波动形成的原因，分别从雷电和 瞬态过欠压这两个主要原因入手分析了它们各自产生的原理；第三章分别从过压 和欠压两方面详细介绍了目前所使用的电源保护技术；第四章是本文的核心，详 细描述了本人所设计的一个电源保护电路，将该电路分为三个部分，首先介绍了 电源管理模块使用的芯片及其工作原理，然后分别描述了三个部分的工作过程， 最后给出了整体电路图的设计；第五章阐述了测试步骤及仿真结果，并对结果进 行了分析；第六章对本文进行了总结，并对不足之处提出了改进设想。 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 2 1 概述 第二章通信设备电源波动的形成 随着电予设备，特别是微电子设备和计算机设备的广泛应用，电源波动造成 瞬态过欠压的危害问题日益突出地摆在了人们的面前。特别是雷电、开关动作和 插拔机盘造成的电源波动引发的设备故障、停用己成为维护技术人员无可回避的 问题。 雷电的活动或开关的动作都可能干扰电子设备的正常工作，两者均会在电子 系统的电源总线、数据通信、信号等线路上引起电压瞬间的激增，如果激增的瞬 态电压超过了电子设备中元器件的承受能力，就会造成破坏性的后果。所有的电 子设备，如：计算机、大厦管理系统、网络交换机、闭路电视设备，、防火、防盗 警报系统、不间断电源系统、逻辑程序控制器、工业传感器、遥测和数据采集装 置等，都存在着这种危险。 人们往往对雷电和过欠压的防护工作不够重视，或者简单地认为防雷和过欠 压无非是安装防雷和过欠压器件并降低地线接地电阻即万事大吉，而事实又往往 无情地证明，这样的防护并不能达到预期的目的。 一般情况下通信系统的除了受到正常工作电压的作用外，还将承受各种过欠 压。由于系统外部( 雷电) 及内部( 开关操作、断线、接地等) 的各种各样的原因， 通信系统中的某些部分会出现高于或低于额定工作电压。所谓过电压，是指对电 子设备有危险的电压升高及电位差升高，所谓欠电压，是指对电子设备有危险的 电压降低及电位差升降低。通常设备在运行中承受的电压可分为四种类型嘲： 正常运行条件下的工频电压； 操作过欠压； 暂时过欠压； 雷电过电压。 5 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第一种就是设备正常工作时的电压。类称为内部过欠压，它是由于系统 的内部状态变化( 如插拔单盘) 而产生的，过欠压的幅值与系统的额定电压相关。 暂时过欠压的产生原因很多，如空载长线路的电容效应、不对称接地故障、突变 甩负荷、线性或铁磁谐振等。这类过欠压基本上与电路的稳态相联系，具有一定 的震荡频率，由于无阻尼或者弱阻尼，因此持续时间较长，常根据产生原因的不 同分为工频电压升高及谐振过电压。操作过欠压是由于电路中某处参数突变而引 入( 如开关动作) ，它是电路从某一稳态向另一新稳态过渡阶段中产生的，一般持 续时间在o 1 秒( 五个工频周期) 以内。它与电路的暂态相联系，与暂时过电压相 比其持续时间较短。雷电过电压是由于雷电引起的n o 】。雷电会引起电压的很大波 动，相当于在电路上激增了一个过电压信号，这个过电压信号对电子设备的电源 有着很大的干扰作用，当这个过电压信号超过了电子设备电源的承受能力时，电 源就会发生故障，严重情况下电源可能被击毁，这样就会影响电子设备的系统工 作，造成很大的经济损失。 2 2 雷电过电压对电子设备电源的影响 雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。地球 上平均每秒要发生1 0 0 次左右。雷电可分为雷云对大地之间的对地放电和雷云与雷 云之间的云间放电两大类。相对云间放电而言，对地放电对地面物体具有更大的 危害性。在平坦的地区，一般频度的雷电活动下，9 0 m 高的建筑物每年都要遭受一 次雷击，而3 6 0 m 高的建筑物每年则平均要遭受加次雷击。由于雷云层非常大，各 部分的密度不完全相同，导电性能也不完全一样，它包含的电荷也不可能一次放 完，因此雷云对大地之间的放电大多数是重复的，通常一次雷电包括3 - 4 次放电 n j t l 2 。雷电放电的特点是：放电电压高( 可高达5 0 0 k v 以上) ，电流幅值大( 可高达 1 0 0 - 3 0 0 k a ) ；电流变化快，放电过程时间短( 一次放电时间约为4 0i is ) ，电流波形 陡度大。其中主放电的部分参数列于表2 1 中。当雷电击中电网或电网附近雷击时， 6 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 都能在线路上产生雷电过电压。雷电过电压沿着线路传播进入机房内，造成计算 机及相关设备损坏。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电 的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。 表2 1 云对地放电的部分参数n 羽 参数典型值最坏情况时的值 主放电电流峰值( i ) k a 2 02 0 0 传递的电荷量c 2 03 0 0 主放电上升时间i ls o 2 主放电的最大陡度( a s ) 1 0 1 1 雷电会导致多种不同形式的危害，没有任何一种办法可以全面防止雷电的危 害，通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实际中人们对直击 雷、感应雷、球形雷的认识比较高，防护也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识 和防护措施相对比较薄弱，雷电的放电过程如图2 1 所示：雷云对大地的放电过 程首先是由云端先发出一个不太明亮而跳跃式向大地前进的通路开始，即预放电， 这种预放电叫做阶段式先驱放电。当先驱放电的通路到达大地时，我们肉眼所能 看到的主放电阶段才开始。主放电是从大地开始向云端发展的极明亮的放电通路， 也逐渐降低，一到云端，主放电就完成了。主放电以后有发出微弱的“余光 。余 光虽然发光微弱，但时间很长，可达0 0 3 - 0 1 5 s ，“余光一过后，就结束了整个脉 冲放电过程。一般雷电对电子设备的影响主要是在雷电的放电过程中当雷击直接 在建筑物上，由于泄流的影响而对建筑物中的电子设备形成的浪涌危害。 7 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 的。 n 詹陷j 们0 1 ) 3 , 0 1 s 一 图2 1 雷电流变化趋势 以上所列的四次典型的雷击通信设备的情况就是对弱电防雷考虑不够造成 雷电对电力系统以及低压系统的干扰可以由图2 2 表示。 飞 击冒 舯 磁$ 越冒针 、引毒絮艄司l 引下线j 龟i l 地网 氆一= 图2 2 雷电对设备的电磁感应图 雷电对电力系统的影响，直接击中发变电站的设各的情况极少，但是击中导线 和避雷针的情况较多： 1 ) 雷直接击中高压线路，在线路上产生非常大的电流，这个电流流过接地电 阻时，使得地电位抬高或者在一次侧产生过电压，这个电压通过变压器、电容器 8 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 等藕合到低压侧，从而在低压交流电路中产生过电压。直击雷产生的电流可以达 到2 0 0 k a ，电压峰值可以达到几百k v ，对配电线路的绝缘威胁非常大。 2 ) 雷直接击中低压线路，也会产生非常高的电流和电压，超过低压设备以及 传统过电压保护设备的承受能力。由于低压线路电压等级较低，线路的塔杆也不 高，易受建筑物和树木的屏蔽，雷直接击中低压线路的概率要比击中高压输电线 路的概率小。 3 ) 雷击中附近的物体( 如大地、树木等) ，或云层间的雷电电磁脉冲以空间辐 射的方式在一次和二次系统中产生过电压。 对于建筑物内的电子设备，雷电流的入侵途径有： 1 ) 雷直击建筑物的避雷系统，强大的雷电流沿建筑物的结构钢筋和其它的金 属管线( 避雷系统的一部分) 泄放到大地。流过结构钢筋的雷电流将对室内的电子 系统产生过电压干扰；另一方面，雷电流引起建筑物的接地装置的地电位升高， 也可能造成对室内电子设备的“反击。 2 ) 雷直击与建筑物相连的金属管线( 如电源线、电话线、信号线、煤气管道、 水管、暖气管等) ，在金属管线上形成直击雷过电压，或雷击金属管附近的大地( 或 其它物体) ，在金属管线上形成感应过电压，这两种过电压均将沿金属管线侵入室 内，对低压系统造成危害。 3 ) 雷击中附近的物体，雷电电磁脉冲通过空间辐射在电子系统中产生过电 压。 主要的雷害情况有以下几种情况n 小1 5 1 ： ( 1 ) 雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造 成建筑物等损坏以及人员的伤亡 ( 2 ) 感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线 路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或 终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击 雷高得多。 9 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 ( 3 ) 雷电浪涌是近年来由于微电子的不断使用引起人们极大重视的一种雷电 危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷 击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一 方面由于电子设备内部结构高度集成化( v l s i 芯片) ，从而造成设备耐压、耐过电 流的水平下降，对雷电( 包括感应雷及操作过电压浪涌) 的承受能力下降，另一方 面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从 电源线或信号线等途径窜人电脑设备。美国g e 公司测定一般家庭、饭店、公寓等 低压配电线( 1 l o v ) 在1 0 0 0 0 h ( 约一年零两个月) 内在线间发生的超出原工作电压一 倍以上的浪涌电压次数达到8 0 0 余次，其中超过1 0 0 0 v 的就有3 0 0 余次。这样的 浪涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏。信号系统浪涌电压的主要来源是感 应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。 2 3 瞬态过欠压的形成 由于各种原因，交流线路中并不总是呈现理想的正弦波电压。实际上，由于 电路中供电回路中的开关操作过程，市电与备用电源的自动切换过程、供电系统 中感性负载的投入与切除等都会对电源系统造成尖峰脉冲干扰，使正弦波电压波 形产生畸变。虽然这种畸变电压持续过程时间不长，但对采用超大规模集成电路 的现代通信和电子设备造成的危害却是不可忽视的。在设备供电中，只要有一定 幅度的脉冲冲击，严重的就可能造成设备中器件损坏；轻微一点的，由于重复受 到其影响，可能造成设备中元器件性能的降低和寿命的缩短。当使电压发生畸变 的尖峰脉冲超过电子设备电源中元器件的承受能力范围时，电源有可能被损坏。 2 3 1 暂时过电压的形成 ( 1 ) 接地故障形成的过电压n 町1 刀 电路中接地故障是常见的；其中以单相接地出现的概率最大，且这一概率随 1 0 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 着电路额定电压的上升而增加。当单相接地时，设从故障点看入的电路的等值入 口正序、负序阻抗为z 。= z = j x 。，零序阻抗z o _ j 】( o ( x 。，) 【d 为正序、零序电抗) ，等值 电势为e ，则当a 相接地时，b ，c 两正常相上的工频道电压u b ，u c 可按式( 2 1 ) 计算。 葛u c = e 通常避雷器没有能力对单相接地时正常电压的升高进行防护。由于如上述接 地故障以单相接地出现的概率最大，因此，尽管并非在单性接地时正常相上的工 频过电压最高，通常仍以单性接地时正常相上的工频电压升高来选择避雷器的灭 弧电压；对于中性点不接地系统，其等必为负值，故应躲开等= _ 2 谐振条件。 a i以l 一般情况下，单相接地时该类电路正常相的对地电压可达系统最大工作电压的 l 1 0 9 6 ，因而该类电路避雷器灭弧电压就取此值，故称1 1 0 避雷器；同理，中性点 经消弧线圈( 接于系统中性点的电感线圈，用于补偿电容电流) 接地的电网，选取 1 0 0 9 6 的避雷器；中性点直接接地或经小电阻接地的电网，选取8 0 的避雷器。 ( 2 ) 负载突变形成的过电压 当突然切断或因事故而突然甩掉大负荷时，由于以下任意一个或几个原因会造 成电压升高： 1 ) 由于发电机的磁链不能突变，故具有保持原来输送大功率时的暂态电势不 变的性质，负载突变前的输送功率愈大，发电机的暂态电势愈高。 2 ) 由于原动机上的调速器和制动设备的惰性，使刚甩负荷时发电机的转速会 增快，造成电势相频率上升。 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 3 ) 若长线末端处甩负荷，由于空载长线所具有的电容效应而使线路末端电压 升高，且电源容量愈小，长线末端电压升高愈严重。 ( 3 ) 谐振过电压 电子系统中存在着许多电感和电容元件，如变压器、互感器、消弧线圈、电抗 器、线路导线电感等均可作为电感元件，而线路导线对地电容、补偿用的并联和 串连电容器组、高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进行操作或发生 故障时，这些电感、电容元件可形成各种振荡回路，在一定的能源作用下，会产 生串连谐振现象，导致系统中某些部分( 或元件) 出现严重的谐振过电压。 所谓谐振，是指振荡系统的某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态 ( 或准稳态) 现象，在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的那个谐波 的振幅会急剧上升n 帕。电路中的谐振，实际上就是在电感、电容元件组成的回路 中，自振频率等于工频或某一谐振波频率时所发生的谐振现象。谐振常属于稳态 现象，因此其持续时间比操作过电压长得多，可以稳定地存在，直至进行新得操 作破坏原回路得谐振条件为止。正是由于谐振过电压得持续时间长，所以其危害 也大。在通信系统中，谐振过电压不仅危及电气设备得绝缘；还可能产生持续的 。过电流而烧断熔丝或烧毁设备；同时还会影响到过电压保护装置的工作条件，普 通阀型避雷器常因在谐振过电压下动作而又不能灭弧的情况下遭到毁坏。 ( 4 ) 静电放电 当两个带电的导体互相靠近时就会发生静电放电。比如，在干燥的季节里， 人走在绝缘的地毯上，或者衣服与皮肤摩擦就能引起静电。实验测量表明：静电 放电的波形是个简单的脉冲波形，持续时间为2 - 4 n s ，峰值大约2 0 - 3 0 a ，以指数形 式缓慢降落，这个脉冲的上升时间小于l n s 。静电放电对半导体设备的危害非常大， 特别是金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 、用于微波频段的半导体器件以及开 关时间小于2 n s 的高速逻辑器件。在这类器件的运输、装配过程中，以及含有这类 器件的电子设备在工作中，静电放电都能造成器件的损坏。以致引起系统的故障。 随着对静电放电知识的进一步了解，人们也找到了一些解决静电放电的措施：安装 1 2 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 线上的工人以及他们所用的电烙铁、电吹风等都进行良好的接地，己完成的电路 板在运输过程中采用导电袋包装以避免静电放电的损坏等。 ( 5 ) 高能微波干扰辐射 高能微波干扰辐射不仅能干扰电子系统的正常工作，严重的可以对电子系统 造成永久性损坏。在军事领域，有专门的高能微波辐射武器，可以破坏指挥、控 制和通讯系统，并可以干扰航空、航天器中的电子设备。高能微波的频率在5 0 0 m a z 和l o o g h z 之间，持续时间为毫秒级甚至更短。高能微波发出的功率比雷电以及其 它电磁脉冲要大得多。 ( 6 ) 核爆炸1 叭1 们 核武器爆炸时产生大量的射线，这些射线在传播过程中产生的电磁脉冲，可 以对军事和民用电子系统造成严重的破坏。与雷电电磁脉冲相比，核爆炸所产生 的电磁脉冲具有以下特点： 1 ) 电磁场强度大。地面电磁场强度峰值可达5 0 k v m ，功率密度峰值可达6 6 姗岔，约为雷电的1 0 0 倍。 己 2 ) 上升时间短，陡度大，持续时间短。波头上升时间约为5 n s ，持续时间( 半 峰值) 约为2 0 0 n s ，等值频率高达i o o m h z 。 3 ) 破坏范围广。 4 ) 在一定范围内，核爆炸所产生的电磁脉冲是一个与地点无关的平面波，因 此它几乎是同时作用到电力和通讯网络的各个部分。 2 3 2 操作过电压的形成 操作过电压是内部过电压的一种类型，出现在由于“操作引起的过渡过程 中。所谓“操作 ，既包括断路器的正常或事故操作，例如分、合闸空载线路或空 载变压器、电抗器等，也包括接地故障、断线故障等。“操作 的结果，该处的阻 抗参数在某时刻发生突变( 例如，合闸是相当于该处r - 变为r = o ) ，系统中的各 1 3 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 个元件上的电压、电流值将从原先的初始值过渡到新的稳态值。如果系统中的某 些储能元件的表征能量的值( u c ，i 。) 在突变瞬间，其初始值与新的稳态两者不一 致时，则在过渡过程之中系统的响应将出现暂态分量。同时由于电子系统中的电 容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程 产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感中的磁能会在某 一瞬间转变为以静电场能量的形式储存于系统的电容之中，所以可产生数倍于电 源电压的操作过电压。它们是在几毫秒至几十毫秒之后要消失的暂态过电压。 1 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第三章通信设备电源波动的防护 近年来使用人员和保险公司要求在电子设备中安装电源保护装置的呼声越来 越强烈，其原因是由于电源波动造成的损失越来越多，而一代接一代的电器和设 备却越来越敏感。根据这种市场需求，在过去七到十年间有许多公司加强了对电 源保护的研究，因而有大量过欠压保护技术问世。 3 1 过电压保护 3 1 1 过电压保护的原理 一般情况过电压保护的基本原理是在瞬态过电压存在的极短时间内，在被保 护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的 有源导线。人们需要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至快于毫微秒。 这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导 出。通过完备的电位补偿装置，可以在极短的时间内形成一个等电位岛。重要的 是，在需要保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电 位，因而不存在显著的电位差踟。 3 1 2 过电压保护技术 在i e c l 0 2 4 - 1 标准中对过电压的防护提出了外部防护和内部防护体系。同时， 从e 配( 电磁兼容) 的观点来看，一个欲保护的区域，由外到内可分为几个区域，最外 层是0 级，是直接雷击区域，危险性最高，越往里，则危险程度越低。因此从0 级保护 区到最内层保护区，必须实行分级保护：即从防雷、电源线路、信息系统三方面， 综合采用分流、均压、屏蔽、接地、箝位保护、光电隔离各项技术，构筑一个完整 的保护体系。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 l 、防雷技术胁 现代防雷技术是一项综合系统工程，其内容包括3 个方面：防雷产品的设计和 制造等技术，防雷工程的勘测、设计、施工和安装等技术，雷电波的测量、记录和 监控等技术，使防雷系统包括了防直击雷、防感应雷、防雷电波侵入和防雷电电磁 脉冲等。 a 、直击雷的防护 根据g b 5 0 0 5 7 _ 9 4 建筑物防雷设计规范( 2 0 0 0 年版) 对直击雷电流分类如 下。 第1 类防雷建筑物防范的雷电流为2 0 0 k a ( 1 0 3 5 0 i ls ) ； 第2 类防雷建筑物防范的雷电流为1 5 0 k a ( 1 0 3 5 0 i ls ) ； 第3 类防雷建筑物防范的雷电流为l o o k a ( 1 0 3 5 0 ps ) 。 一个能量为2 0 0 k a 的直击雷，由整个系统的接闪器、引下线、接地网、电源、 管线、通信网络线来分担。以通信设备来讲，基本无管道系统，大约有5 0 通过 外部防雷装置( 接闪器、引下线和地网) 直接入地，电源部分承担其中近4 5 ( 1 0 0 k a ) ，以三相四线为例，每线承担大约有2 5 k a ( 1 0 3 5 0i is ) 的雷电流。通 信线路承担剩余5 的雷电流。由此可见，电源系统对直击雷的防护非常关键。 b 、感应雷的防护 前面已提到感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，其实感 应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：在雷云中的电荷积聚 时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放， 而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就在电路 中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生 强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电 感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。感应雷可以通过电力电缆、通 信电缆、光纤和天馈线侵入通信站，由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损 耗小，所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出，按信产部的统计约占了通 1 6 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 信站雷击事故的8 0 。因此，对通信站进行感应雷防护时，电源是重点。 感应雷还可以通过空间感应侵入通信站的内部线路，虽然经过建筑物和机壳 的屏蔽衰减后其能量大为减小，但站内许多电信设备的抗过压能力也很弱，如果 处理不当也可能造成设备故障。 c 、等电位连接技术 防雷等电位连接，是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体或电涌保护 器( s p d ) 做等电位连接，其目的是减小建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之 间由雷电流产生的电位差。 d 、共用接地系统技术 在电子信息设备的电路中，输入信息、传输信息、转换能量、放大信号、逻辑 运算、输出信号等一系列过程都是通过微电位或微电流快速进行的，且设备之间常 通过互联网络进行工作，除需稳定的电源外；尚需一个稳定的基准接地点，又称为 信号参考电位。如使用悬浮地不易消除静电，易受电磁场的干扰而使参考电位变 动。因此，采用等电位连接和共用接地系统后，使讯号接地不形成闭合回路，共模型 态的杂讯不易产生，同时可消除静电和电场的干扰，不易受磁场干扰。 e 、屏蔽保护技术 现代数据的传输电路要求保护信号免受近磁场效应的电磁干扰，因此，要求屏 蔽层要两端接地，使其与电磁干扰有关的近磁场在屏蔽层上产生电流，然后利用这 一屏蔽层电流在传输信号的导线上建立起反向电流，相位差接近1 8 0 。，以抵消原 来在该导线上感应的电磁干扰电流，且对电缆屏蔽层提供静电屏蔽的能力没有任 何不利的效应。 f 、电涌保护器( s p d ) 防护技术 电子信息设备一般工作电压较低，耐压水平也很低，极易受到雷电电磁脉冲的 危害，应考虑雷电电磁脉冲的防护措施。建立完善的雷电浪涌过电压保护措施是电 气工程设计的重要组成部分，在实际工作应根据被保护建筑物的特点以及在低压 电源系统的不同形式选择和安装电涌保护器。 1 7 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 g 、光电隔离保护 光电隔离通常使用光电隔离器( p h o t oc o u p l e r ) 将电信号转换为光信号，在另 一边再将光信号转换回电信号，这样两个电路就可互相隔离。这种技术通常在设计 电子设备时使用，也常常在网络布线时特别是线缆跨越楼宇露天穿越时使用。 2 、电源线路的分级保护嘲 根据i e c l 0 0 0 标准和我国等效采用的低压系统内设备绝缘配合的国家标准，不 同产品耐过电压值不同。如果电源进线的暂态过电压超过其标准值将使其损坏，所 以对电源系统应按图3 1 所示进行分级保护，在过电压到达终端设备时，被限制在 很低的水平。 过 图3 1 电源线路的分级保护示意图 y 用于过压保护的产品有雷击电流放电器、过压放电器和保护仪器设备的放电 器三类，它们分别用于粗保护、中级保护、精细保护场合，使用的元件通常分别为 充有惰性气体的放电器、压敏电阻和抑制二极管。在综合使用它们组成组合电路 时原理电路如图3 2 所示，若放电器之间距离太近，需加装解耦电感器。 1 8 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 图3 2 组合式保护电路原理图 目前，也有组合式过压放电器产品，其原理电路和图3 2 完全相同，并且解耦电 感器也是必须的。充有惰性气体的过压放电器用作初级保护元件，一般说来它可以 排放2 0 k a ( 8 2 0 ) 微秒或者2 5 k a ( 1 0 3 5 0 ) 微秒以内的瞬变电流；压敏电阻则可以 排放2 5 5 k a ( 8 2 0 ) 微秒的瞬变电流，因而作为中级保护元件，可以在气体放电器 排放大电流之后进一步降低线路中剩余的残压；用作细保护的元件便是反应灵敏 的限压二极管，它的响应时间可达微微秒级，其最大优点是它的限压值大约为额定 电压的1 8 倍。在产生过压时，限压二极管作为反应最快的元件第一个动作，如果放 电电流超过限压二极管的放电能力，放电电流就换流到前面的压敏电阻放电电路； 同样道理，如果放电电流达到了压敏电阻的放电能力，则换流到气体放电电路。 3 、信息系统的保护嘲 对于电子终端设备( 或信息系统) ，过电压侵入的途径一是电源线，二是通信数 据线，比如网线、电信部门提供的电路等。因此除了按照上述措施对电源进行保护 外，还要重视对通信数据线的保护，如图3 3 所示。它包括共模保护各数据线共 同对地保护，防止地电位升高时造成反冲击；差模保护各数据线线间相互保护， 防止浪涌过电压在线间互相入侵。 1 9 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 3 2 欠电压保护 3 2 1 欠电压保护的原理 图3 3 通信数据线的分级保护 欠压保护也称为低电压保护，指的是稳压电源由于以上原因使输出电压降到 某极限值( 如3 v 稳压电源降到2 5 v 极限值) 时，欠压保护电路能自动检测到电 源电压的不足，并将稳压电源切断并保持切断状态( 锁存) ，等电源电压上升到 极限值以上某一个值( 如上例的2 7 v 以上) 时，电路可恢复供电。这是保证不因 工作电压过低而造成电路工作不正常或电路性能超差的保护措施跚。 3 2 2 欠电压保护技术 l 、欠压锁存( u v l o ) 传统的电路设计中，通常使用比较器或运算放大器将采样来的电源电压信号 2 0 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 。 与基准电压源产生的基准信号进行比较，以此来判断是否欠压，这就是欠压锁存 ( u v l o ) ，其基本工作原理如图3 4 所示 。 图3 4w l 0 原理图 v o o u t 供电电源v 。对偏置电路提供适当偏置时，基准电压源开始工作，给比较器提供 高精度的参考电压，并与取自k 的采样电压进行比较。当该电压值超过基准电压时， 启动整个电路工作，并通过与1 乍r - 输出一高电平信号控制片内稳压器将输出稳定 到v o 。若由于某种原因使该电压值低于基准电压，则与非门输出一低电平，将电压锁 定到地电位，起到保护的作用渊。 然而许多用于电源控制集成电路的欠压锁定电路启动电流较大，响应速度不 够快，不利于有效地实现保护功能，于是，一种采用o 5i im b i c m o s t 艺设计的改 进型u v l 0 电路随之而生。 2 、采用0 5pm b i c m o s 工艺的i i v i o 技术 其基本原理如图3 5 ： 图3 5 采用0 5i l 帕ic 帅s 工艺的t i v l 0 原理图 2 1 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 k ，是基准源提供的1 2 5 v 基准比较电压。c o m i 为同相比较器，根据设计当电源 电压达n 1 0 2 v 时，v l 检测到的分压值恰好等于1 2 5 v ，此时c o m i 输出高电压，m n 4 导 通，输出低电平，经i n v 2 反相后输出高电平，然后再经过i n v 3 ，i n v 4 两次反相后o u t 输出高电平。当电源电压下降，在小于1 0 2 v 大于9 7 0 v 范围内变化时，v 1 输出低电 平，v 2 也输出低电平。此时，m p 2 ，m n 4 都不导通。i n v i 和i n v 2 组成锁存器，使输出的 状态由前一阶段来决定，即保持高电平。当电源电压回落n 9 7 0 v 以下时，v 2 检测到 的值为1 2 5 v 。此时c o m 2 输出高电平，c o m i 输出低电平，m n 3 ，m p 2 都导通，o u t 输出低 电平。这就起到了欠压锁定的作用，能够保证电源芯片正常进入工作状态，并在一 定电源变化范围内稳定地工作嗍。 该技术的特点是响应速度快，启动电流则降至9 6 0 pa 以下，可实现电源的快 速启动和关断。此外，温度漂移小，且有效控制了温漂对后级电路的影响。 但是该电路的缺点是使用比较器或运算放大器将采样来的电源电压信号与基 准电压源产生的基准信号进行比较，以此来判断是否欠压，需要额外关注基准电 压源和比较器本身的设计，电路结构较复杂。因此，一种没有采用基准电压源、 运算放大器或比较器等辅助模块的改进型b i c m o s i 艺下的欠压保护电路随之产 生。 3 、改进型b i c m o s 工艺的欠压保护电路 该电路原理图如图3 6 ： 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 图3 6 改进型bi o n o s t 艺的欠压保护电路 该电路由三极管q n p n l 、q n p n 2 、q p n p l 、q p n p 2 、q p n p 3 ，m o s 管m n l 、m n 2 、m