动态YAG脉冲激光系统中几种典型EMI的分析

摘　要　对多种YAG系统内部EMI的模型进行分类和分析，实验中获得满意的结果。该项工作为实现自动控制激光系统的内部电磁兼容提供了理论工具和可操作的方法。
关键词　动态YAG脉冲激光系统，单片机控制，电磁干扰。

Analysis of Typical EMI Models in Dynamic YAG Pulse Laser System

　　Abstract　Many kinds of internal YAG system EMI models are classified and analysed in this paper.Experimental test has been done,good results have been obtained.
　　The work provids realization of EMI in auto controlled laser system with theoritical means and opreational methods.
　　Keywords　Dynamic YAG Pulse Laser System,Controlled by Single Chip Microcomputer,Electromagnetism Interfere.

1　前　言

　　近年来，激光器已经走出实验室，并逐步被应用到工业、科研和医疗(ISM)中去。对整个系统的可靠性和自动控制程度提出越来越高的要求；希望采用微机技术来实现对激光系统的全自动一体化控制，并力求整机系统结构紧凑。在工程实施过程中，对于激光系统来说，与一般的工业系统比较，干扰问题就更加突出，电磁干扰(EMI)均集中在一个较小的空间里，其特点是干扰的幅度和能量都比较高，频谱范围比较宽，也具有相当强度的带载能力，特别是Q调制YAG激光器，对控制系统，特别对地线的干扰是无所不在，无时不在，目前利用单片机系统集成度高、功能强大的特点使其作为新一代的控制工具已成为趋势，但从抗EMI角度看，由于单片机系统工作电压低，容易受干扰，使得实现整机电磁兼容任务变得更加艰巨；可以说激光器工作时系统内部电磁兼容性能差是目前激光系统自动化程度不高，以CPU为核心的控制电路工作可靠性差的重要原因。

2　动态YAG脉冲激光系统的几种典型EMI分析

　　根据动态YAG脉冲激光系统这种特殊电磁干扰载体的工作和结构特点，从激光系统的光脉冲取样后的放大器输出端可以观察到各种典型干扰，其大致时序关系示意如图1，也可以从单片机的5V电源端和地线上发现这些EMI。

图1

2.1　预燃触发干扰的分析
　　我们应用的脉冲激光器的泵浦源——氙灯对激光电源来说是一种特殊的负载。 从它受激励时的负载特性曲线可以看出：在开始点灯瞬间，灯上加数万伏高压触发脉冲才能使灯内气体电离击穿形成火花放电通道，然后预燃直流(约200V左右)通过限流电阻向灯放电，使灯维持在一种小电流的导通状态。所以预燃触发干扰包括触发干扰和预电离干扰。
　　我们先对触发干扰作分析；
　　一方面，由于触发强度高并且在预燃失败时会持续打火，此时导线表面的电磁梯度引起空气电离，产生一种类似电晕的效果，通过空间耦合对整机的信号线、控制电源线，尤其是地线的干扰非常大。
　　从示波器探头线圈耦合的波形和计数器对触发脉冲的计数效果看，一次成功的氙灯触发是一个高频阻尼振荡，每个脉冲宽度由触发变压器的次级电感Lr与隔直电容C的值决定，实验中理论计算值约为10μs，由于高压激励状态下的磁特性变化，实测结果为6μs左右，高于氙灯所需最小触发脉宽0.5μs，所以从脉宽设计上能保证氙灯的可靠触发。但触发脉冲实际是包括约0.2MHz以上的宽频带信号，而对氙灯触发有用的信号带宽应分布在0.2～2MHz之间，脉冲其它频段成分对成功的预燃触发是不必要的，从而构成了纯粹的触发干扰信号频段。而2MHz以上的高强度脉冲高频成分耦合到控制器的地址/数据线、电源线和地线上，在整机中干扰信号幅度达到7V以上，对于采用6M以上晶振工作的CPU(工作电压在5V之内)影响非常大，出现的现象往往为：通过对数据/地址线的干扰而使程序“飞走”；通过对电源线和复位端的干扰而使CPU无故“复位”；通过对地线干扰甚至会使控制系统“掉电”等等。虽然从测距的角度讲可以避开触发干扰，但作为控制系统来说，这种电磁干扰是必须解决的，否则CPU将无法工作。解决的重点应放在抑制干扰源以降低其辐射电磁波的带载能力上。
　　另一方面从工作电路上看，预燃触发由于与控制电路高压充电电路共地工作，所以预燃触发容易通过地环路干扰控制电路，在两个不同的接地之间有一定的电位差，称为地电压V_i，一般能构成地环路干扰的干扰源带载能力都相对较强，也较难克服。在整机中，目前通用的输出电压采样方式所造成的地环路干扰对控制电路中的含触发器组件危害很严重，必须采取特殊的地线干扰滤波措施直接消除这种脉冲地电势，我们在实验中也收到了良好的效果。
　　预燃过程中的预电离干扰的产生及大小取决于氙灯本身。当工作过程中，由于灯的钨阴极表面不洁净或掺钡不均匀，而引起温度场不均，电子束集中在部分离散区域寻找发射点，造成灯电流密度的高频波动，因此灯压也产生一定范围的变化，这也就是通常所见灯的“转弧”现象，通过辐射产生的对控制电路干扰频率成份大约高达90MHz左右，总体呈现一簇一簇“毛刺”现象，出现几率与“转弧”速度基本同步。它在控制系统中的干扰幅度较小，一般影响不了CPU的正常工作，但由于其一直存在，所以它对高精度测距的影响最大，经常干扰“开门”、“关门”信号。如果利用磁性材料的特殊滤波效果分别运用在干扰源的输出线和地线上，在滤除高频干扰得到“干净”地线基础上再结合C滤波，就能针对预电离干扰收到良好的效果。

2.2　Q调制干扰信号和电容耦合型干扰
　　Q调制干扰信号包括两部分，一个是退高压充放电干扰，它基本上是一强度约为4000～5000V的梯形负单脉冲数学模型。在目前KD^P晶体的退高压触发管置于机头的情况下，它主要是由于传输阻抗不匹配而通过电缆线直接辐射出带有“毛刺”的准方波干扰，但在采用改进结构(把扼流电阻置于机头)的情况下，它对控制系统和测距系统中激光主脉冲的干扰远不如动态触发干扰严重。
　　动态触发干扰是由于目前普遍采用闸流管作为KD^P晶体退高压触发管需要8000V左右的触发电压而引起的。它与退高压放电干扰在时序上紧挨着，我们降低和去掉晶压后发现动态触发干扰对控制系统的主脉冲取样影响更大。因为它不仅与主波取样脉冲几乎同步出现(相差约40～100ns)，而且脉宽窄(约为几十纳秒的衰减振荡)，幅度高；同时动态干扰带载能力相当强，虽然触发信号与其它电路不共地，只靠空间辐射来耦合，但它能直接干扰主波取样电路的地线，使主波峰值保持电路根本无法识别和工作，对CPU地线的干扰也经常改变内部RAM的值；还有，关键一点是虽然动态触发幅度没有预燃触发高，但其出现的频率与时统一致，对控制和测距的危害就更大。
　　动态触发干扰是一种能量分布在上百千赫兹到几百兆赫兹甚至更宽的范围内的宽带阻尼振荡干扰，因为它具有电压变化范围大，电流变化范围小和准方波、窄脉冲耦合等特点，所以我们认为它主要是通过导线之间的电容耦合效应来干扰控制电路的，并初步建立了它的模型。其等效电路如图(2)所示。

图2

　　由等效电路可计算出在回路2上的感应电压为：

V₂=R₂V₁/(R₂+X_c)　　　(1)

式中R₂是R_g与R_L2的并联，R_g为被干扰源的内部电阻；推导可得：

　　由于C很小，有｜jωCR₂｜1，所以V₂≈jωCR₂V₁由式(2)可知，电容耦合引起的感应电压正比于干扰频率ω、输入电阻R₂(一般情况为复值阻抗Z₂)及耦合电容C，这说明电容耦合主要是在射频段(f=300kHz～300MHz)形成干扰，频率越高，电容耦合越明显。比如一米长一对紧挨着的平行线的电容效应实测约15pF左右，导线内阻Rg约为0.12Ω，那么针对6000～8000V的动态触发高压V₁，根据公式(2)计算在100M频段上耦合的干扰信号就达6～8V，与实际测量值5～7V基本吻合，它对激光主脉冲取样的干扰是很明显的，也进一步从实验上证明了建立和抽象成电容耦合模型的正确性。
　　一般情况下，干扰频率ω和复值阻抗Z₂是由Q调制电路决定了的，所以为了尽量减少电容耦合干扰电压，有效的方法是抑制耦合电容C，也就是导线之间的距离，导线的种类、布线方式以及专门处理地线方式来降低Q调制开关电源对控制电路的干扰；同时也要采取良好的面接触方式来降低R_g以减小干扰耦合电压V₂的值。当然，如果能用一种触发电压较低，耐压较高的电压型开关管或几个串联来代替闸流管和触发管，那么将从干扰源上彻底消除这种危害极大的干扰。

图3

　　在预燃成功后，储能电容通过LC成型网络向氙灯释放泵浦电能，该钟形脉冲属于高能量密度的窄带干扰，它与普通窄脉冲比，具有主能量集中于某一频段(5kHz～100kHz左右)，覆盖频谱不是很宽，电压变化幅度不大，电流变化范围很大等特点，所以我们认为它主要是通过放电线上的电阻及电感进行电感性耦合，形成如图3所示与放电脉冲相似的干扰波形。
　　根据通常环路的相对面积，我们简化模型，以直导线过电流I₁时干扰附近的矩形回路为模型(如图4)作简单推导：

图4

　　M=(u₀.1/2π).ln(r₂/r₁)
　　V_N=jωMI₁=ju₀.f.l.I₁ln(r₂/r₁)
　　回路上的任何一部分所被干扰电压为：
　　V_N2=jωM.I₁.R/(R+R₂)
　　由于布线形状、结构和线种类的不同，还可以建立其它形状的互感模型和电感性耦合模型。
　　我们从实验结果上分析这种电感耦合模型建立的正确性：整机放电脉冲电压半宽仅为180μs，如果是通过放电电压进行电容性耦合，从激光工作原理上可知道放电干扰尖峰与动态干扰尖峰之间间隔T应小于半宽；但实验却发现T达到220μs左右，因此我们判断干扰尖峰是由一个相位超前于放电电压的电场参量产生，这就是放电电流变化率di/dt——电感性耦合。这个结论与干扰波形相吻合。
　　总之放电线对控制回路的电磁干扰强度，取决于被干扰导线环在干扰场中的相对位置和相对距离，也就是切割磁力线量的多少。从干扰时序图上我们发现在远距离激光测距中，可以避开这种干扰对计数器的“开门”、“关门”信号的影响；但在控制系统中复位端和电源端会耦合上这种干扰信号。放电干扰通常来说对测距和控制的危害远不如前面两种干扰大。我们不仅可以从干扰源和被干扰对象的相对距离还可以从布线的相对角度上去遏制感性干扰，后者的效果比抗容性干扰耦合要明显。但如果是个单电源供电的小型激光系统，就应对这种干扰以及系统内部的布线方式高度重视。

2.3　来自激光电源内部的高频开关干扰信号
　　目前新一代的开关电源都是采用高频逆变方式，工作频率大约在30kHz～100kHz之间，对于脉冲动态激光电源来说，内部含储能逆变、预燃逆变、动态高压逆变三种电源，由于变压器、电感受材料影响不可能工作在理想状态下，存在漏磁现象，通过公用电网进行窜扰。这三种逆变干扰目前给单片机控制系统的电源和地端仅带来较低幅度的中频干扰，在整机中约达0.5V，一般不会使CPU系统瘫痪。但与前面所述的“转弧”干扰一样，如果逆变是以持续方式进行，比如预燃逆变、晶压逆变或者采用非停振式的激光电源主逆变方式，那么随着激光系统结构的日益紧凑，较高精度计数器无法在时序上避开这种干扰，它对测距的影响将越来越引起重视。
　　由于逆变干扰的频率相对较低，因此解决的关键是寻找一个“干净”的直流地进行低通滤波，并采取适当的屏蔽和接大地措施，既降低干扰辐射强度，又消除相应电荷的积累，防止其因静电势达到一定程度突然泄放，而对单片机的“数据/地址”线造成干扰，使程序运行出错。

3　结束语

　　前面所述的四种典型干扰在任何同类激光控制系统中必定存在，因为这些所谓的电磁干扰其实是由这种激光器正常工作时必须施放的能量所造成，还有一些不可预测的干扰，如其它电设备通过公用电网窜入的尖峰干扰和衰减振荡干扰，静电荷积累干扰和接触电势引起的干扰等等，特别在中、大功率固体激光系统中也频频产生恶劣的效果，经常导致单片机的“复位”，程序出错和MOS管误导通现象的发生，也应该引起设计者在电磁兼容设计时的注意。
　　上面只是从目前利用单片机对激光系统进行自动控制难的角度出发，对干扰较复杂、种类较多的动态YAG激光系统内部EMI模型作了初步的分析和总结，希望能对避免激光系统内EMC实施时的盲目性、后补性，克服相同整机之间措施的不一致性有点益处。我们将继续研究相应的EMC软、硬件措施并另文阐述和报道。
　　本篇论文在写作过程中得到了华北光电所周寿桓和关振华，王嘉卿三位专家的指点，在这里表示衷心地感谢。