高压静电放电发生器的研制
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4 实验测试数据
本高压静电放电发生器研制完成后 ,输出电 压经过两点线性校正之后 ,再经过长时间的老化 实验 ,然后通过 10 000∶1高压分压器进行性能测 试 ,测试结果如表 1所示.
采用带宽为 4 G的示波器测得正负电源放电 电流波形 ,如图 6和图 7所示.
朱 武 ,等 :高压静电放电发生器的研制
Bm 工作磁密.
设工作频率为 f,则变压器初级绕组匝数为
n1≈
U1 4Bm Ac
f
(3)
在本设计中 ,工作频率为 40 kHz,原边电压
最大值以 20 V 计算 ;高频变压器的初级参数为 8
匝 ,次级参数为 1 000匝.
2. 3 直流倍压电路
由于静电放电发生器的输出电压较高 ,输出 电流较小 ,为了简化高压电源的设计 ,节省元器件 的费用 ,在线路设计中采用了倍压整流方案. 直流 高压电源通过逆变方式产生约 0 ～2 400 V 可调 的高频电压 ,然后经过直流 14倍压 ,形成高达 30 kV 的直流电压 ,提供放电枪使用. 直流倍压的原 理见图 4,以 4倍压为例说明其工作原理.
朱 武 1 ,许立衡 2 ,操瑞发 1 ,管水秀 1 ,涂祥存 1
(1. 上海电力学院 计算机与信息工程学院 ,上海 200090; (2. 上海悉雅特楼宇自控有限公司 ,上海 200127)
摘 要 : 在介绍高压静电发生器工作原理的基础上 ,根据 IEC610002422的要求 ,对其关键技术进行了深入研 究 ,设计了一种高压静电放电发生器装置. 实验表明 ,该发生器的输出电压达到 30 kV ,输出电压在 0. 5～30. 0 kV 的线性度达到 4% ,放电电流波形符合 IEC610002422标准.
图 2 高压直流稳压电源结构
2. 1 高压电源逆变升压与保护电路 高压电源的逆变升压与保护的简化电路如图
3所示.
图 1 静电放Hale Waihona Puke Baidu发生器的原理
交流电源通过电源模块产生 24 V , 5 V , ±12 V的电压. 其中 24 V 电压给高频逆变器供电 ; 5 V 电压给控制系统和数字接口电路供电 ; ±12 V 给 电压控制电路供电. 24 V 的电压通过高频变压器 逆变升压后变成高频高压的交流信号 ,通过电容 和二极管进行直流整流升压 ,然后送到放电枪 ;电 压控制电路采样输入到放电枪的电压 ,与系统设 置电压比较 ,调整高频逆变升压变压器原边电压 , 使其稳定在设定值 ;光电隔离电路把系统高压部 分与低压部分隔离 ,系统控制器按系统设置模式 输出脉冲信号 ,通过光电隔离后送到高压开关上 , 使高压电枪放电 ;键盘接口设置系统的工作模式 、 放电次数 、放电电压大小 ,以及调用 IEC模式和自 定义用户模式等 ,并加以保存 ;显示电路显示系统 设置参数 、系统运行状态等.
图 4 直流 4倍压电路
高压变压器输出的第 1半波 (负 )输入时 ,输 入电压通过 D1 使 C1 充电到 UM ,左负右正 ; 第 2 半波 (正 )输入时 ,输入电压与 C1 的电压同相 , 且
相等 (均为 UM ) ,故输入电压与 C1 上的电压叠加 后通过 D2 使 C2 充电 ,电压极性左负右正 ,电压达 到 2UM ;第 3半波 (负 )输入时 ,输入电压与 C2 上 的电压正好同相 ,输入电压与 C2 上的电压叠加后 通过 D3 使 C3 充电 ,由于 C2 上有 2UM 电压 ,加上 输入电压 UM ,叠加后的电压为 3UM. 同时对 D1 和 C1 来说 ,也符合导通充电条件 , 但 C1 只能充电到 UM ,故叠加后的电压有 2UM 压降在 C3 上 , 极性左 负右正 ;第 4 半波 (正 )输入时 , 输入电压正好与 C1 和 C3 上的电压正好同相 , 3 个电压叠加后为 4UM ,通过 D4 可以向 C2 及 C4 充电 , 极性左负右 正 ,故实现 4倍压整流. 依据此原理 ,不难推广到 14倍压.
朱 武 ,等 :高压静电放电发生器的研制
385
电子产品抗静电性能要求的不断提高 ,研制电压 等级更高的静电放电发生器是科研人员努力实现 的目标 ,因此本文研制的 30 kV 静电放电发生器 具有非常重要的意义.
1 高压静电放电发生器的方案
高压静电发生器采用 P89C51RD2 单片机作 为系统的控制器 ,其内部具有 64 k的程序存储器 和 1 k 的 RAM ,完全满足系统要求. 其原理图如 图 1所示.
随着电子 、通信和计算机技术的广泛应用和 发展 ,电子电气设备 、产品的大量使用 ,在工业 、军 事和日常生活中 ,电磁干扰广泛存在 ,电磁干扰及 其抑制问题日益突出. 为使各种电子电气设备和 产品在日趋复杂恶化的电磁环境中能够安全可靠 工作 ,就 要 对 这 些 电 子 产 品 进 行 强 制 认 证. 自 2002年 5 月 1 日 起 实 施 的 国 家 强 制 认 证 制 度 3C 认证也对产品的电磁兼容标准提出了
关键词 : 电磁兼容 ;静电放电 ;电流波形 中图分类号 : TH744. 11 + 6 文献标识码 : A
D evelopm en t of ESD Genera tor w ith H igh Voltage
ZHU W u1 , XU L i2heng2 , CAO Rui2fa1 , GUAN Shui2xiu1 , TU Xiang2cun1
第 25卷第 4期 2009年 8月
上海电力学院学报
Jou rnal of S hanghai U n iversity of E lectric Pow er
文章编号 : 1006 - 4729 (2009) 04 - 0384 - 04
Vol. 25, No. 4 Aug. 2009
高压静电放电发生器的研制
具体的要求. 目前 ,主要的电磁兼容试验有静电放 电抗扰度试验 、射频辐射电磁场抗扰度试验 、电快 速瞬变脉冲群抗扰度试验 、雷击浪涌抗扰度试验 , 以及由射频场引起的传导干扰抗扰度试验 、工频 磁场抗扰度试验 、电压跌落抗扰度试验和衰减震 荡波抗扰度试验等 [1]. 在这些电磁兼容性试验 中 ,静电放电应用最广泛 ,对静电放电相关技术的 研究一直是个热点 ,且倍受关注 [ 224 ] . 随着人们对
2. 2 高频变压器的设计
本文选用利普公司的铁芯材料 E20 型铁氧 体铁芯 ,它的有效截面积 Ac 为 32 mm2 ,饱和磁密 大约为 0. 5 T. 工作磁密取其一半 ,即 0. 25 T. 根 据初级线圈匝数公式
n1≈
U1 Ton 2Bm Ac
(2)
式中 : U1 变压器原边电压的幅值 ;
Ton 一个周期内的单向电压脉宽 ;
387
设定值
0. 50 5. 00 10. 00 15. 00 20. 00 25. 00 30. 00
表 1 电源输出电压 测量值
正电压 0. 49 4. 95 9. 89 14. 60 19. 70 24. 80 29. 80
图 3 逆变升压与保护电路
图 3 中 ,电阻 R7 , R6 , 电容 C2 和反相器构成 振荡器 ,产生脉冲信号驱动场效应管 Q1 和 Q2. 其 振荡频率由式 (1)确定.
f=
1
(1)
2R6 C2
0. 405 R7 + 0. 693 R6 + R7
放大器 A1 输出 12 V 电压给振荡电路供电 ,
Abstract: On the basis of introduction of the p rincip le of ESD generator w ith high voltage, an ESD generator in accordance w ith IEC 610002422 specification is designed after its key technologies are researched in details. It is p roved that output voltage of the ESD generator reaches 30 kV , and the linearity is less than 4% in voltage scope ranging from 0. 5 ～30. 0 kV , and the ESD current waveform is accordant w ith IEC 610002422 standard. Key words: EMC; electrostatic discharge ; current waveform
24 V 电压通过调压管 Q3 降压后逆变升压 ; 放大
器 A2 的输入端分别检测高压输出电压和系统设
定电压 ,当二者不相等时 ,放大器的输出伺服控制
调压管 Q3 ,改变逆变变压器原边电压 ,使输出电
压与设定值相等. 二极管 D1 , D2 , D3 , D4 为高压逆
变器提供保护作用. 正常工作时 ,场效应管 Q1 和 Q2 输出的电流通过 0. 1 Ω 采样电阻转换为电压
( 1. S chool of Com pu ter and Inform a tion Eng ineering, S hangha i U n iversity of E lectric Pow er, S hangha i 200090, Ch ina;
2. S hangha i MOX B u ild ing In telligence L td. , S hangha i 200127, Ch ina)
2 高压电源的设计
高压直流电源采用了可调式直流线性稳压电 源和高频逆变器相组合的基本设计原理 ,高频高 压逆变器的输出经正或负极性倍压整流后输出 , 同时将输出电压送至前级直流线性稳压电源的采 样电路. 采样电路根据输出电压的极性决定反馈 切换开关的位置 ,从而构成稳定的闭环控制. 其结 构如图 2所示.
3 模数转换器 TLC5615接口电路
系统的给定电压由 CPU 控制 , CPU 通过调整 串行模数转换器 TLC5615 输出电压实现系统输 出电压大小的设定. 其接口电路如图 5所示.
图 5 模数转换与 CPU 接口
根据 TLC5615 的时序 [ 5 ] ,当片选 CS为低电 平时 ,在同步时钟 SCLK的控制下 ,输入数据由 D IN 输入 ,最高有效位在前 ,低有效位在后. 输入 时钟 SCLK的上升沿把串行输入数据移入内部的 16位移位寄存器 , SCLK的下降沿输出串行数据 DOUT,片选 CS的上升沿把数据传送至 DAC寄存 器. 当片选 CS为高电平时 ,串行输入数据 D IN 不 能由时钟同步送入移位寄存器 ;输出数据 DOUT 保持最近的数值不变而不进入高阻状态.
收稿日期 : 2009 - 06 - 22 (特约稿 ) 作者简介 : 朱武 (1969 - ) ,男 ,教授 ,博士 ,湖北随州人. 主要研究方向为检测技术 、智能仪器 、电磁兼容和大功率超 声应用等. E2mail: zjmzwzsy@126. com. 基金项目 : 上海市科委地方高校能力建设项目 (071605125).
信号 ,经 R5 和 C1 滤波后送入放大器 A3 的反相 端 ,与同相端设定负载相比较. 当负载不超载时 ,
放大器 A3 的反相端电压小于同相端电压 , 放大器
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上 海 电 力 学 院 学 报 2009年
输出接近正电源电压 , 二极管 D1 , D2 , D3 , D4 不导 通 ,系统正常工作 ;当负载超载时 ,放大器 A3 的反 相端电压大于同相端电压 ,放大器输出为零 ,二极 管 D1 , D2 , D3 , D4 导通. D2 导通 ,将放大器 A1 的同 相端钳位到 0. 7 V ,使振荡电路停止工作 ; D1 导 通 ,使 Q3 截止 ,逆变变压器原边电压降为零 ; D3 , D4 导通 ,将 Q1 和 Q2 的栅极电压钳位到 0. 7 V ,使 其截止 ,全面保护高压电源.
本高压静电放电发生器研制完成后 ,输出电 压经过两点线性校正之后 ,再经过长时间的老化 实验 ,然后通过 10 000∶1高压分压器进行性能测 试 ,测试结果如表 1所示.
采用带宽为 4 G的示波器测得正负电源放电 电流波形 ,如图 6和图 7所示.
朱 武 ,等 :高压静电放电发生器的研制
Bm 工作磁密.
设工作频率为 f,则变压器初级绕组匝数为
n1≈
U1 4Bm Ac
f
(3)
在本设计中 ,工作频率为 40 kHz,原边电压
最大值以 20 V 计算 ;高频变压器的初级参数为 8
匝 ,次级参数为 1 000匝.
2. 3 直流倍压电路
由于静电放电发生器的输出电压较高 ,输出 电流较小 ,为了简化高压电源的设计 ,节省元器件 的费用 ,在线路设计中采用了倍压整流方案. 直流 高压电源通过逆变方式产生约 0 ～2 400 V 可调 的高频电压 ,然后经过直流 14倍压 ,形成高达 30 kV 的直流电压 ,提供放电枪使用. 直流倍压的原 理见图 4,以 4倍压为例说明其工作原理.
朱 武 1 ,许立衡 2 ,操瑞发 1 ,管水秀 1 ,涂祥存 1
(1. 上海电力学院 计算机与信息工程学院 ,上海 200090; (2. 上海悉雅特楼宇自控有限公司 ,上海 200127)
摘 要 : 在介绍高压静电发生器工作原理的基础上 ,根据 IEC610002422的要求 ,对其关键技术进行了深入研 究 ,设计了一种高压静电放电发生器装置. 实验表明 ,该发生器的输出电压达到 30 kV ,输出电压在 0. 5～30. 0 kV 的线性度达到 4% ,放电电流波形符合 IEC610002422标准.
图 2 高压直流稳压电源结构
2. 1 高压电源逆变升压与保护电路 高压电源的逆变升压与保护的简化电路如图
3所示.
图 1 静电放Hale Waihona Puke Baidu发生器的原理
交流电源通过电源模块产生 24 V , 5 V , ±12 V的电压. 其中 24 V 电压给高频逆变器供电 ; 5 V 电压给控制系统和数字接口电路供电 ; ±12 V 给 电压控制电路供电. 24 V 的电压通过高频变压器 逆变升压后变成高频高压的交流信号 ,通过电容 和二极管进行直流整流升压 ,然后送到放电枪 ;电 压控制电路采样输入到放电枪的电压 ,与系统设 置电压比较 ,调整高频逆变升压变压器原边电压 , 使其稳定在设定值 ;光电隔离电路把系统高压部 分与低压部分隔离 ,系统控制器按系统设置模式 输出脉冲信号 ,通过光电隔离后送到高压开关上 , 使高压电枪放电 ;键盘接口设置系统的工作模式 、 放电次数 、放电电压大小 ,以及调用 IEC模式和自 定义用户模式等 ,并加以保存 ;显示电路显示系统 设置参数 、系统运行状态等.
图 4 直流 4倍压电路
高压变压器输出的第 1半波 (负 )输入时 ,输 入电压通过 D1 使 C1 充电到 UM ,左负右正 ; 第 2 半波 (正 )输入时 ,输入电压与 C1 的电压同相 , 且
相等 (均为 UM ) ,故输入电压与 C1 上的电压叠加 后通过 D2 使 C2 充电 ,电压极性左负右正 ,电压达 到 2UM ;第 3半波 (负 )输入时 ,输入电压与 C2 上 的电压正好同相 ,输入电压与 C2 上的电压叠加后 通过 D3 使 C3 充电 ,由于 C2 上有 2UM 电压 ,加上 输入电压 UM ,叠加后的电压为 3UM. 同时对 D1 和 C1 来说 ,也符合导通充电条件 , 但 C1 只能充电到 UM ,故叠加后的电压有 2UM 压降在 C3 上 , 极性左 负右正 ;第 4 半波 (正 )输入时 , 输入电压正好与 C1 和 C3 上的电压正好同相 , 3 个电压叠加后为 4UM ,通过 D4 可以向 C2 及 C4 充电 , 极性左负右 正 ,故实现 4倍压整流. 依据此原理 ,不难推广到 14倍压.
朱 武 ,等 :高压静电放电发生器的研制
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电子产品抗静电性能要求的不断提高 ,研制电压 等级更高的静电放电发生器是科研人员努力实现 的目标 ,因此本文研制的 30 kV 静电放电发生器 具有非常重要的意义.
1 高压静电放电发生器的方案
高压静电发生器采用 P89C51RD2 单片机作 为系统的控制器 ,其内部具有 64 k的程序存储器 和 1 k 的 RAM ,完全满足系统要求. 其原理图如 图 1所示.
随着电子 、通信和计算机技术的广泛应用和 发展 ,电子电气设备 、产品的大量使用 ,在工业 、军 事和日常生活中 ,电磁干扰广泛存在 ,电磁干扰及 其抑制问题日益突出. 为使各种电子电气设备和 产品在日趋复杂恶化的电磁环境中能够安全可靠 工作 ,就 要 对 这 些 电 子 产 品 进 行 强 制 认 证. 自 2002年 5 月 1 日 起 实 施 的 国 家 强 制 认 证 制 度 3C 认证也对产品的电磁兼容标准提出了
关键词 : 电磁兼容 ;静电放电 ;电流波形 中图分类号 : TH744. 11 + 6 文献标识码 : A
D evelopm en t of ESD Genera tor w ith H igh Voltage
ZHU W u1 , XU L i2heng2 , CAO Rui2fa1 , GUAN Shui2xiu1 , TU Xiang2cun1
第 25卷第 4期 2009年 8月
上海电力学院学报
Jou rnal of S hanghai U n iversity of E lectric Pow er
文章编号 : 1006 - 4729 (2009) 04 - 0384 - 04
Vol. 25, No. 4 Aug. 2009
高压静电放电发生器的研制
具体的要求. 目前 ,主要的电磁兼容试验有静电放 电抗扰度试验 、射频辐射电磁场抗扰度试验 、电快 速瞬变脉冲群抗扰度试验 、雷击浪涌抗扰度试验 , 以及由射频场引起的传导干扰抗扰度试验 、工频 磁场抗扰度试验 、电压跌落抗扰度试验和衰减震 荡波抗扰度试验等 [1]. 在这些电磁兼容性试验 中 ,静电放电应用最广泛 ,对静电放电相关技术的 研究一直是个热点 ,且倍受关注 [ 224 ] . 随着人们对
2. 2 高频变压器的设计
本文选用利普公司的铁芯材料 E20 型铁氧 体铁芯 ,它的有效截面积 Ac 为 32 mm2 ,饱和磁密 大约为 0. 5 T. 工作磁密取其一半 ,即 0. 25 T. 根 据初级线圈匝数公式
n1≈
U1 Ton 2Bm Ac
(2)
式中 : U1 变压器原边电压的幅值 ;
Ton 一个周期内的单向电压脉宽 ;
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设定值
0. 50 5. 00 10. 00 15. 00 20. 00 25. 00 30. 00
表 1 电源输出电压 测量值
正电压 0. 49 4. 95 9. 89 14. 60 19. 70 24. 80 29. 80
图 3 逆变升压与保护电路
图 3 中 ,电阻 R7 , R6 , 电容 C2 和反相器构成 振荡器 ,产生脉冲信号驱动场效应管 Q1 和 Q2. 其 振荡频率由式 (1)确定.
f=
1
(1)
2R6 C2
0. 405 R7 + 0. 693 R6 + R7
放大器 A1 输出 12 V 电压给振荡电路供电 ,
Abstract: On the basis of introduction of the p rincip le of ESD generator w ith high voltage, an ESD generator in accordance w ith IEC 610002422 specification is designed after its key technologies are researched in details. It is p roved that output voltage of the ESD generator reaches 30 kV , and the linearity is less than 4% in voltage scope ranging from 0. 5 ～30. 0 kV , and the ESD current waveform is accordant w ith IEC 610002422 standard. Key words: EMC; electrostatic discharge ; current waveform
24 V 电压通过调压管 Q3 降压后逆变升压 ; 放大
器 A2 的输入端分别检测高压输出电压和系统设
定电压 ,当二者不相等时 ,放大器的输出伺服控制
调压管 Q3 ,改变逆变变压器原边电压 ,使输出电
压与设定值相等. 二极管 D1 , D2 , D3 , D4 为高压逆
变器提供保护作用. 正常工作时 ,场效应管 Q1 和 Q2 输出的电流通过 0. 1 Ω 采样电阻转换为电压
( 1. S chool of Com pu ter and Inform a tion Eng ineering, S hangha i U n iversity of E lectric Pow er, S hangha i 200090, Ch ina;
2. S hangha i MOX B u ild ing In telligence L td. , S hangha i 200127, Ch ina)
2 高压电源的设计
高压直流电源采用了可调式直流线性稳压电 源和高频逆变器相组合的基本设计原理 ,高频高 压逆变器的输出经正或负极性倍压整流后输出 , 同时将输出电压送至前级直流线性稳压电源的采 样电路. 采样电路根据输出电压的极性决定反馈 切换开关的位置 ,从而构成稳定的闭环控制. 其结 构如图 2所示.
3 模数转换器 TLC5615接口电路
系统的给定电压由 CPU 控制 , CPU 通过调整 串行模数转换器 TLC5615 输出电压实现系统输 出电压大小的设定. 其接口电路如图 5所示.
图 5 模数转换与 CPU 接口
根据 TLC5615 的时序 [ 5 ] ,当片选 CS为低电 平时 ,在同步时钟 SCLK的控制下 ,输入数据由 D IN 输入 ,最高有效位在前 ,低有效位在后. 输入 时钟 SCLK的上升沿把串行输入数据移入内部的 16位移位寄存器 , SCLK的下降沿输出串行数据 DOUT,片选 CS的上升沿把数据传送至 DAC寄存 器. 当片选 CS为高电平时 ,串行输入数据 D IN 不 能由时钟同步送入移位寄存器 ;输出数据 DOUT 保持最近的数值不变而不进入高阻状态.
收稿日期 : 2009 - 06 - 22 (特约稿 ) 作者简介 : 朱武 (1969 - ) ,男 ,教授 ,博士 ,湖北随州人. 主要研究方向为检测技术 、智能仪器 、电磁兼容和大功率超 声应用等. E2mail: zjmzwzsy@126. com. 基金项目 : 上海市科委地方高校能力建设项目 (071605125).
信号 ,经 R5 和 C1 滤波后送入放大器 A3 的反相 端 ,与同相端设定负载相比较. 当负载不超载时 ,
放大器 A3 的反相端电压小于同相端电压 , 放大器
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上 海 电 力 学 院 学 报 2009年
输出接近正电源电压 , 二极管 D1 , D2 , D3 , D4 不导 通 ,系统正常工作 ;当负载超载时 ,放大器 A3 的反 相端电压大于同相端电压 ,放大器输出为零 ,二极 管 D1 , D2 , D3 , D4 导通. D2 导通 ,将放大器 A1 的同 相端钳位到 0. 7 V ,使振荡电路停止工作 ; D1 导 通 ,使 Q3 截止 ,逆变变压器原边电压降为零 ; D3 , D4 导通 ,将 Q1 和 Q2 的栅极电压钳位到 0. 7 V ,使 其截止 ,全面保护高压电源.