一种反馈型强电磁脉冲电源防护电路及方法与流程

1.本发明涉及电磁兼容技术领域，特别涉及一种电源端口强电磁脉冲防护电路，具体地是一种通过采样电源端口强电磁脉冲的能量，根据能量分级接入不同级别防护吸收电路进行不同类型电磁脉冲能量泄放，在脉冲能量被吸收后快速恢复绝缘状态的一种反馈型防护电路。


背景技术：

2.强电磁脉冲包括快沿窄脉冲与长时持续脉冲，注入电源端口后会引起后级设备因过电压或过电流而损坏。采用防护电路加在电源端口对脉冲能量进行吸收钳位对后级设备进行防护。防护电路由压敏电阻、气体放电管和瞬态电压抑制器的串并联结构组成。当注入脉冲为快沿窄脉冲时，需要防护电路快速响应以启动保护功能，但是其吸收能量有限，长时持续脉冲的大能量会损坏防护电路而引起供电系统故障；当注入脉冲为长时持续脉冲时，需要防护电路具备大能量泄放能力，但是其响应时间有限，快沿窄脉冲条件下防护电路不响应，会损坏后级设备。因此在不明确注入脉冲的波形特征的情况下，无反馈的防护电路无法有效兼顾不同脉冲的防护需求。


技术实现要素：

3.要解决的技术问题
4.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种反馈型强电磁脉冲电源防护电路。
5.技术方案
6.一种反馈型强电磁脉冲电源防护电路，其特征在于包括反馈采样单元、延时隔离单元、分级防护单元；所述反馈采样单元接在电源正端与负端，对脉冲电压幅值、脉冲持续时间进行采样并比较；所述延时隔离单元接入反馈采样单元与分级保护单元之间，对快脉冲信号进行隔离，保持脉冲在采样电路的完整性，并在脉冲过长时保护防护电路与后级设备；所述分级防护单元接在电源正端与负端，对快沿窄脉冲和长时持续脉冲分别防。
7.本发明进一步的技术方案：所述反馈采样单元包括电压幅值采样电路和脉冲时长采样电路；所述电压幅值采样电路包括电阻r1与r2，电阻r1一端连接电源正端，另一端连接电阻r2的一端，电阻r2另一端连接电源负端，r1与r2的连接点经匹配电阻r3接入比较电路；所述脉冲时长采样电路包括电阻r4与c1，电阻r4一端连接电源正端，另一端连接电容c1的一端，电容c1另一端连接电源负端，r4与c1的连接点经匹配电阻r5接入比较电路；所述比较电路包括比较器a、比较器b和比较器c，比较器a的负向输入端连接电阻r5，输出端接入延时隔离单元控制mosfet开关q1，比较器b的正向输入端连接电阻r3，输出端接入分级防护单元第一级控制mosfet开关q2的栅极，比较器c的负向输入端连接电阻r5，输出端接入分级防护单元第二级控制mosfet开关q3的栅极。
8.本发明进一步的技术方案：所述延时隔离单元采用半导体开关与共模电感实现，
半导体开关串联在供电回路里，共模电感输入端分别接半导体开关与电源一极，输出端分别接分级防护单元的输入极。
9.本发明进一步的技术方案：所述分级防护单元包括第一级防护支路与第二级防护支路，第一级防护支路由mosfet开关q2、瞬态电压抑制器d1与限流电阻r6串联组成，第二级防护支路由mosfet开关q3、压敏电阻vdr1串联组成，两个支路并联串接保险管f1后并联在供电回路两端。
10.一种反馈型强电磁脉冲电源防护方法，其特征在于：
11.当快沿窄脉冲注入时，反馈采样单元对电压幅值与脉冲持续时间进行采样，由电压采样电路启动第一级防护支路，对注入脉冲进行第一级快响应防护，对注入脉冲的电压幅值进行限制，对后级设备进行电压钳位保护；
12.当长时持续脉冲注入时，反馈采样单元对电压幅值与脉冲持续时间进行采样，由电压采样电路启动第一级防护支路，首先对注入脉冲进行快响应防护，对注入脉冲的电压幅值进行限制；当脉冲持续到一定时间后，由脉冲持续时间采样电路启动第二级防护支路，对注入脉冲的能量进行泄放，并经两种采样电路比较后关断第一级防护支路，以达到对第一级防护支路的保护，避免供电系统出现短路故障；当脉冲持续时间超过防护电路泄放极限时，由两种采样电路的比较值关断延时隔离单元，断开多级防护支路与后级设备，待脉冲过去后再接入。
13.有益效果
14.本发明提供的一种反馈型强电磁脉冲电源防护电路，有益效果包括：
15.1、对强电磁脉冲电压与持续时间进行采样，反馈至分级防护单元，针对不同类型的电磁脉冲采用分级防护的方法，可对快沿窄脉冲和长时持续脉冲进行综合防护，并防止防护电路与后级设备的损坏，最大限度地保护供电系统与后级设备的安全。
16.2、反馈采样单元包括强电磁脉冲电压采样与持续时间采样，完整地反映强电磁脉冲的响应要求与能量级别，为防护单元提供了完整的分级防护依据。
17.3、分级防护单元采用两级防护支路，第一级可以快速响应动作，主要泄放较高过电压、短时快沿窄脉冲；第二级防护支路可以泄放大电流，主要泄放长时、较低过电压的长时持续脉冲。
18.4、延时隔离单元可对持续时间过长的极限脉冲进行隔离，断开防护电路与后级负载设备，待极限脉冲被反馈采样电路吸收后再接入防护电路与后级设备，杜绝供电回路短路故障和负载损坏故障。
附图说明
19.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
20.图1反馈型强电磁脉冲电源防护电路原理图；
21.图2反馈型强电磁脉冲电源防护电路图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.本发明通过监测强电磁脉冲的电压幅值与持续时间参数，采用反馈型多级防护方法，对持续时间较短的快沿窄脉冲进行第一级快响应防护，对持续时间较长的长时持续脉冲进行第二级泄放防护，当脉冲过长时断开防护电路与保护设备，等强脉冲完全过去后再接入，维持后级负载设备电压在安全范围之内。
24.一种反馈型强电磁脉冲电源防护电路应用于直流、交流电源端口的强电磁脉冲防护，从分级防护的角度出发，根据脉冲特性选择不同的防护方案，最大限度地保护供电系统与后级设备的安全。本发明电路组成包括反馈采样单元、延时单元、分级防护单元。反馈采样单元对脉冲电压幅值、脉冲持续时间进行采样并比较；延时隔离单元对快脉冲信号进行隔离，保持脉冲在采样电路的完整性，并在脉冲过长时保护防护电路与后级设备；分级防护单元对快沿窄脉冲和长时持续脉冲分别防护。反馈采样单元包括电压幅值采样电路和脉冲时长采样电路。分级防护单元包括第一级快响应支路与第二级泄放支路。
25.反馈采样单元接在电源正端与负端；延时单元接入反馈采样单元与分级保护单元之间；分级防护单元共两组，分别接在电源正端与负端。电压采样电路包括高压臂电阻、低压臂电阻、匹配电阻，脉冲持续时间采样电路包括充电电阻、充电电容、匹配电阻。上述采样信号输出需经过比较器来控制防护回路、防护支路的开通与关断。
26.延时隔离电路采用半导体开关与共模电感实现，半导体开关串联在供电回路里，共模电感输入端分别接开关与电源一极，输出端分别接分级防护单元的输入极。
27.第一级防护支路采用快响应、低能量泄放的方式，包括常开开关、瞬态电压抑制器、限流电阻与可恢复保险管串联，第二级防护支路采用慢响应、高能量泄放的方式，包括常开开关、压敏电阻与可恢复保险管串联。
28.当快沿窄脉冲注入时，反馈采样单元对电压幅值与脉冲持续时间进行采样，由电压采样电路启动第一级防护支路，对注入脉冲进行第一级快响应防护，对注入脉冲的电压幅值进行限制，对后级设备进行电压钳位保护。
29.当长时持续脉冲注入时，反馈采样单元对电压幅值与脉冲持续时间进行采样，由电压采样电路启动第一级防护支路，首先对注入脉冲进行快响应防护，对注入脉冲的电压幅值进行限制。当脉冲持续到一定时间后，由脉冲持续时间采样电路启动第二级防护支路，对注入脉冲的能量进行泄放，并经两种采样电路比较后关断第一级防护支路，以达到对第一级防护支路的保护，避免供电系统出现短路故障。当脉冲持续时间超过防护电路泄放极限时，由两种采样电路的比较值关断延时隔离单元，断开多级防护支路与后级设备，待脉冲过去后再接入。
30.如图1所示，本发明安装在交、直流电源接口与负载设备之间，防止不同类型的强电磁脉冲对被保护设备损坏。本发明包括反馈采样单元、延时隔离单元、分级防护单元。反馈采样单元可以监测电磁脉冲电压幅值与持续时间；延时隔离单元用来对脉冲进行延时隔离，以保证后级分级防护单元可靠工作；分级防护单元包括两级防护支路，通过防护支路的切换保护防护元器件安全工作。
31.具体工作过程描述如下：
32.强电磁脉冲进入供电线路后，反馈采样单元采样该脉冲电压幅值与持续时间，其中电压幅值采样信号控制第一级快响应防护支路接通进行电压钳位；持续时间采样信号控制第二级能量吸收防护支路接通进行能量泄放，并断开第一级保护支路起到保护作用；当脉冲持续时间过长时，由延时隔离电路断开防护支路与负载回路起到保护作用，当能量泄放完成后接通负载回路。
33.如图2所示，反馈采样单元包括电阻采样电路与电容采样电路。电阻采样电路采集脉冲电压幅值，电容采样电路采集脉冲持续时间。其中电阻r1与r2组成电阻采样电路，电阻r1一端连接电源正端，另一端连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端连接电源负端，r1与r2的连接点经匹配电阻r3接入比较电路；电阻r4与电容c1组成电容采样电路，电阻r4一端连接电源正端，另一端连接电容c1的一端，电容c1的另一端连接电源负端，r4与c1的连接点经匹配电阻r5接入比较电路。比较电路包括比较器a、比较器b和比较器c，比较器a的正向输入连接输出端，负向输入端连接电阻r5，输出端接入延时隔离单元控制mosfet开关q1的栅极；比较器b的正向输入端连接电阻r3，负向输入端连接电阻r5，输出端接入分级防护单元第一级控制mosfet开关q2的栅极；比较器c的正向输入端连接输出端，负向输入端连接电阻r5，输出端接入分级防护单元第二级控制mosfet开关q3的栅极。延时隔离电路包括mosfet开关q1与共膜电感lc，mosfet开关q1串接在供电回路输入支路正端，mosfet开关q1漏级连接电源正端输入侧，源极连接供电正端输出侧，共膜电感lc串接在供电回路两个支路。分级防护单元由第一级防护支路与第二级防护支路组成，第一级防护支路由mosfet开关q2、瞬态电压抑制器d1与限流电阻r6串联组成，其中mosfet开关q2的漏极连接电源正端输出侧，源极连接瞬态电压抑制器d1负端，d1正端连接限流电阻r6的一端，限流电阻r6的另一端连接保险管f1；第二级防护支路由mosfet开关q3、压敏电阻vdr1串联组成，其中mosfet开关q3的漏极连接电源正端输出侧，源极连接压敏电阻vdr1的一端，压敏电阻vdr1的另一端连接保险管f1；两个支路并联串接保险管f1后并联在供电回路两端。
34.正常供电时，回路电压在电阻采样电路与电容采样电路上产生分压稳态电压，比较器a输出高电平、比较器b输出低电平、比较器c输出低电平，该状态下mosfet开关q1导通，mosfet开关q2关断，mosfet开关q3关断。供电回路接入mosfet开关q1与共模电感lc正常工作，且共模电感lc起到滤波作用。
35.当快脉冲和持续时间较短的缓脉冲注入供电回路时，电阻分压器低压臂电压上升，此时因共模电感lc的延时作用，分级防护单元端电压稳定不变；低压臂电压达到一定值后比较器b输出高电平，其他比较器输出电平不变，该状态下mosfet开关q2导通，脉冲电压经第一级防护支路mosfet管q2、瞬态电压抑制器d1、限流电阻r6、自恢复保险管f1进行能量泄放；脉冲能量泄放完成后，电阻分压器低压臂电压降低至稳态值，比较器b输出低电平，mosfet管q2关断从而断开第一级防护支路。该模式下通过对快脉冲和持续时间较短的缓脉冲钳位吸收，起到对后级负载设备的保护。
36.当持续时间较长的缓脉冲注入供电回路时，第一级防护支路工作过程与短脉冲一致，即处于导通状态；随着脉冲持续时间的增加，电容c1上的充电电压逐渐升高，当升高至一定值时比较器c输出高电平，比较器b输出低电平，此时延时单元已经不再起到脉冲延时作用，第二级防护支路mosfet管q3闭合，脉冲经mosfet管q3、压敏电阻vdr1、自恢复保险管f1支路进行能量泄放；断开mosfet管q2，关断第一级防护支路。脉冲能量泄放完成后，电容
c1上电压降低，比较器c输出低电平，mosfet管q3关断从而断开第二级防护支路。该模式下通过对持续时间长的脉冲能量吸收，起到对后级负载设备的保护。
37.当脉冲持续时间过长时，比较器a输出低电平，mosfet管q1关断从而断开分级防护单元，由反馈采样单元进行能量吸收，待脉冲消失后比较器a输出高电平，mosfet管q1闭合接通负载设备。该模式下通过对持续时间过长的脉冲进行隔离，起到对分级防护单元和后级负载设备的保护。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。