RU2773640C1 - Improvement of the device protecting against ultra-short pulses in differential and common modes - Google Patents
Improvement of the device protecting against ultra-short pulses in differential and common modes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773640C1 RU2773640C1 RU2021128648A RU2021128648A RU2773640C1 RU 2773640 C1 RU2773640 C1 RU 2773640C1 RU 2021128648 A RU2021128648 A RU 2021128648A RU 2021128648 A RU2021128648 A RU 2021128648A RU 2773640 C1 RU2773640 C1 RU 2773640C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conductors
- series
- active
- mode choke
- common mode
- Prior art date
Links
- 230000002633 protecting Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000005294 ferromagnetic Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001902 propagating Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000001965 increased Effects 0.000 description 4
- 101700031716 andE Proteins 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic Effects 0.000 description 3
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 241001270131 Agaricus moelleri Species 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative Effects 0.000 description 1
- 230000005288 electromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для ограничения уровня кондуктивных эмиссий и защиты радиоэлектронных средств (РЭС) от импульсных помех с малой и сверхмалой длительностями, распространяющихся по цепям электропитания. The invention relates to radio electronics and can be used to limit the level of conducted emissions and protect radio electronic equipment (RES) from impulse noise with short and ultra-short duration, propagating through power supply circuits.
В настоящее время идет активный процесс миниатюризации электроники, что приводит к уменьшению толщины изолирующих слоёв, и как следствие увеличивает риск их пробоя при воздействии электромагнитных помех (ЭП) большой амплитуды. Тенденция роста рабочих частот приводит к тому, что длины волн ЭП, становятся сопоставимы с размерами элементов конструкции РЭС, что усиливает влияние электромагнитных воздействий на электронику. Также увеличивается потребность современного оборудования в электронике, растет плотность монтажа и ухудшается электромагнитная обстановка, что выводит электромагнитную совместимость на первый план при разработке РЭС. Среди опасных воздействий отдельно следует выделить импульсные помехи наносекундного и субнаносекундного диапазонов. Спектр такого сверхкороткого импульса (СКИ) перекрывает широкий диапазон частот, в следствие чего он способен преодолевать традиционные средства защиты от ЭП. Распространяясь по проводникам, СКИ способен приводить к сбоям работы РЭС, и выводу из строя полупроводников. Для борьбы с импульсными помехами эффективно применяют модули устройств защиты от импульсных перенапряжений «УЗИП», фильтры на сосредоточенных компонентах, полупроводниковые ограничители импульсов, устройства гальванической развязки, и разрядные устройства. Такие устройства защиты обладают набором недостатков, среди которых малая рассеиваемая мощность, недостаточное быстродействие и паразитные параметры. Эти факторы позволяют СКИ с небольшой потерей мощности преодолевать традиционные устройства защиты. Что бы ослабить воздействие СКИ применяют устройства, работающие по принципу модального разложения, которые лишены указанных недостатков, но такие устройства не способны осуществлять защиту в случае если длительность помехового импульса больше разности задержек мод, создаваемых модальным фильтром (МФ). Справедливо отметить, что по стандартам ослабление помеховых импульсов требуется как в дифференциальном, так и в синфазном режимах. Необходима разработка новых устройств защиты от импульсных помех, малой и сверхмалой длительности в дифференциальном и синфазном режимах. Currently, there is an active process of miniaturization of electronics, which leads to a decrease in the thickness of the insulating layers, and as a result, increases the risk of their breakdown when exposed to high-amplitude electromagnetic interference (EM). The trend of increasing operating frequencies leads to the fact that the wavelengths of the EP become comparable to the dimensions of the REM structural elements, which enhances the influence of electromagnetic effects on electronics. The need for modern equipment in electronics is also increasing, the density of installation is growing and the electromagnetic environment is deteriorating, which brings electromagnetic compatibility to the fore in the development of RES. Among the dangerous effects, it is necessary to single out impulse noise of the nanosecond and subnanosecond ranges. The spectrum of such an ultrashort pulse (USP) covers a wide frequency range, as a result of which it is able to overcome traditional means of protection against electric shock. Spreading through the conductors, SQI can lead to failures in the operation of the RES, and the destruction of semiconductors. To combat impulse noise, modules of surge protection devices "SPD", filters on lumped components, semiconductor surge arresters, galvanic isolation devices, and discharge devices are effectively used. Such protection devices have a set of disadvantages, including low power dissipation, insufficient speed and parasitic parameters. These factors allow SKIs to overcome traditional protection devices with little power loss. In order to weaken the impact of SQI, devices operating on the principle of modal decomposition are used, which are devoid of these disadvantages, but such devices are not capable of protecting if the duration of the interference pulse is greater than the mode delay difference created by the modal filter (MF). It is fair to say that the standards require the attenuation of interference pulses in both differential and common mode. It is necessary to develop new devices for protection against impulse noise, short and ultra-short duration in differential and common mode.
Наиболее близким к заявляемому устройству является Полосковая структура, защищающая от сверхкоротких импульсов в дифференциальном и синфазном режимах [Костелецкий В.П., Заболоцкий А.М. Полосковая структура, защищающая от сверхкоротких импульсов в дифференциальном и синфазном режимах // Заявка №2020126543. Приоритет изобретения 10.08.2020. Опубликовано:25.05.2021. Бюл. №15], состоящая из опорного проводника и двух параллельных ему проводников, а также диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, так что опорный и активный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, со стороны пассивного проводника через воздушный зазор расположена аналогичная структура центрально-симметрично относительно центра поперечного сечения всей полосковой структуры, добавлен прямоугольный в поперечном сечении электрический экран, ширина опорных проводников больше ширины остальных, а их внешняя торцевая сторона соединена по всей длине с экраном, между экраном и проводниками в верхней и нижней частях структуры есть одинаковые воздушные зазоры, на дальнем конце пассивные проводники соединены с экраном, все проводники расположены на одинаковом расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр симметрии.Closest to the claimed device is a strip structure that protects against ultrashort pulses in differential and in-phase modes [Kosteletsky V.P., Zabolotsky A.M. Strip structure protecting against ultrashort pulses in differential and common mode // Application No. 2020126543.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточное ослабление импульсов длительность которых больше, чем разность задержек мод.The disadvantage of the prototype device is the insufficient attenuation of pulses whose duration is greater than the mode delay difference.
Заявляется устройство защиты, состоящее из полосковой структуры, состоящей из опорного проводника и двух параллельных ему проводников, а также диэлектрической среды, состоящей из диэлектрической подложки и окружающего воздуха, так что опорный и активный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, со стороны пассивного проводника через воздушный зазор расположена аналогичная структура центрально-симметрично относительно центра поперечного сечения всей полосковой структуры, добавлен прямоугольный в поперечном сечении электрический экран, ширина опорных проводников больше ширины остальных, а их внешняя торцевая сторона соединена по всей длине с экраном, между экраном и проводниками в верхней и нижней частях структуры есть одинаковые воздушные зазоры, на дальнем конце пассивные проводники соединены с экраном, все проводники расположены на одинаковом расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр симметрии отличающееся тем , что на ближнем конце активные проводники полосковой структуры последовательно подключены к входным клеммам для подключения защитного устройства в разрыв 2-проводной линии сети, на дальнем конце активные проводники последовательно соединены с входными контактами, синфазного дросселя, имеющего две индуктивно-связанные обмотки на общем тороидальном ферромагнитном сердечнике, подключенные параллельно между собой, но последовательно относительно полосковой структуры, между выходными контактами синфазного дросселя подключен конденсатор, при этом каждый выходной контакт синфазного дросселя подключен к корпусной земле через конденсатор, последовательно каждой обмотке синфазного дросселя подключена одним контактом индуктивность на тороидальном ферромагнитном сердечнике, свободные концы этих индуктивностей последовательно подключены к выходным клеммам, между которыми подключен конденсатор.A protection device is claimed, consisting of a strip structure consisting of a reference conductor and two conductors parallel to it, as well as a dielectric medium consisting of a dielectric substrate and ambient air, so that the reference and active conductors are located on one side of the dielectric substrate, and the passive conductor is located symmetrically to the active conductor on the other side of the dielectric substrate, from the side of the passive conductor through the air gap, a similar structure is located centrally symmetrically with respect to the center of the cross section of the entire strip structure, an electrical screen rectangular in cross section is added, the width of the reference conductors is greater than the width of the others, and their outer end side is connected along the entire length with the screen, there are equal air gaps between the screen and the conductors in the upper and lower parts of the structure, at the far end the passive conductors are connected to the screen, all conductors are located at the same distance from the vertical axis passing through the center of symmetry, characterized in that at the near end the active conductors of the strip structure are connected in series to the input terminals for connecting the protective device to the break of the 2-wire network line, at the far end the active conductors are connected in series with the input contacts of the common mode choke, having two inductively coupled windings on a common toroidal ferromagnetic core, connected in parallel to each other, but in series with respect to the strip structure, a capacitor is connected between the output contacts of the common mode choke, while each output contact of the common mode choke is connected to the body ground through a capacitor, in series with each winding of the common mode choke an inductance on a toroidal ferromagnetic core is connected with one contact, the free ends of these inductances are connected in series to the output terminals, between which a capacitor is connected.
Достоинством заявляемого устройства, в отличие от устройства-прототипа, является увеличенное ослабление СКИ, длительность которых больше, чем разность задержек мод.The advantage of the proposed device, in contrast to the prototype device, is the increased attenuation of USPs, the duration of which is greater than the mode delay difference.
Техническим результатом является увеличенное ослабление СКИ, длительность которых больше, чем разность задержек мод. Технический результат достигается за счет разложения СКИ полосковой структурой на импульсы меньшей амплитуды с помощью выбора параметров устройства и компоновки проводников, а также благодаря выбору номиналов компонентов фильтра, обеспечивающих частотную селекцию помехового сигнала. Приведенные выше качественные оценки достижимости технического результата подтверждаются ниже количественными оценками, полученными с помощью моделирования.The technical result is an increased attenuation of the USP, the duration of which is greater than the mode delay difference. The technical result is achieved by decomposing the SQI with a stripe structure into pulses of smaller amplitude by choosing the device parameters and the layout of the conductors, as well as by choosing the values of the filter components that provide frequency selection of the interference signal. The above qualitative estimates of the feasibility of the technical result are confirmed below by quantitative estimates obtained using modeling.
На фиг. 1 приведено поперечное сечение заявляемой структуры. Параметры поперечного сечения: w – ширина активных и пассивных проводников, w 1 – ширина опорных проводников, s – расстояние между проводниками, t – толщина проводников, h 1, – толщина воздушных зазоров в верхней и нижней частях структуры, h 2, – толщина диэлектрических слоев исходной и добавленной структур, h 3 – толщина воздушного зазора между структур. Значения параметров: w = 10 мм, w 1 = 18 мм, t = 0,105 мм, s = 2 мм, h 1 = 10 мм, h 2 = 0,330 мм, h 3 = 2,54 мм, ε r 1 = 1, ε r 2 = 4,5. In FIG. 1 shows a cross section of the claimed structure. Cross section parameters: w is the width of active and passive conductors, w 1 is the width of the reference conductors, s is the distance between the conductors, t is the thickness of the conductors, h 1 , is the thickness of the air gaps in the upper and lower parts of the structure, h 2 , is the thickness of the dielectric layers of the original and added structures, h 3 is the thickness of the air gap between the structures. Parameter values: w = 10 mm, w 1 = 18 mm, t = 0.105 mm, s = 2 mm, h 1 = 10 mm, h 2 = 0.330 mm, h 3 = 2.54 mm, ε r 1 = 1, ε r 2 = 4.5.
Активный и опорный проводники расположены на одной стороне диэлектрической подложки, а пассивный проводник расположен симметрично активному проводнику на другой стороне диэлектрической подложки, проводники и диэлектрическая подложка добавленной структуры расположены центрально-симметрично относительно точки Х, по контуру структуры расположен электрический экран, который сверху и снизу отделен воздушным зазором от проводников структуры.The active and reference conductors are located on one side of the dielectric substrate, and the passive conductor is located symmetrically to the active conductor on the other side of the dielectric substrate, the conductors and the dielectric substrate of the added structure are located centrally symmetrically relative to the X point, an electric screen is located along the contour of the structure, which is separated from above and below air gap from structure conductors.
На фиг. 2 приведена схема соединений заявляемого фильтра (электрическая принципиальная схема заявляемого защитного устройства). Она состоит из шести проводников одинаковой длины l = 100 мм, 2 из которых (опорные) представлены на схеме обозначением корпусной земли, источников импульсных сигналов, представленных идеальными источниками э.д.с. E Г1 и E Г2 с внутренними сопротивлениями R Г, которые через входные клеммы подсоединены к активным проводникам на ближнем конце полосковой структуры. Опорные проводники соединены с электрическим экраном вдоль всей длины, а пассивные проводники соединяются с экраном только на дальнем конце полосковой структуры. С активными проводниками полосковой структуры на дальнем конце соединен синфазный дроссель, имеющий две индуктивно-связанные обмотки L C по 140 мкГн каждая, между выходными контактами синфазного дросселя подключен конденсатор C Д, при этом каждый контакт синфазного дросселя подключен к корпусной земле через конденсатор C С емкостью 33 нФ, к каждой обмотке синфазного дросселя подключена индуктивность L Д по 1200 мкГн, между выводами которых подсоединен конденсатор C Д выводы которого через выходные клеммы подсоединены к нагрузочным резисторам R Н. Значения всех резисторов, представленных на схеме, равны 50 Ом, емкость конденсаторов CД = 66 нФ. В качестве входного сигнала используется импульс, длительности фронта, спада и плоской вершины которого выбраны равными по 100 пс, а амплитуда э.д.с. источника – изменяется в зависимости от режима воздействия помехи. Для реализации дифференциального воздействия амплитуда э.д.с. источников E Г1 = 0,5 В, а E Г2 = –0,5 В. Для реализации синфазного воздействия амплитуда э.д.с. источников E Г1 = 1 В, а E Г2 = 1 В.In FIG. 2 shows the connection diagram of the inventive filter (electrical circuit diagram of the inventive protective device). It consists of six conductors of the same lengthl =100 mm, 2 of which (reference) are represented in the diagram by the designation of the body ground, sources of pulsed signals, represented by ideal sources of
На фиг. 3 представлены результаты вычислительного эксперимента, из которых видно, ослабление сигнала на –3 дБ достигается на частоте 15 кГц для дифференциального и 12 кГц – для синфазного режимов. Амплитудно-частотная характеристика заявляемого защитного устройства в дифференциальном (….) и синфазном (–––) режимахIn FIG. Figure 3 shows the results of a computational experiment, from which it can be seen that the signal attenuation by –3 dB is achieved at a frequency of 15 kHz for differential and 12 kHz for common mode. The amplitude-frequency characteristic of the proposed protective device in the differential (....) and common-mode (---) modes
На фиг. 4 представлены результаты вычислительного эксперимента, из которых видно что ослабление воздействующего импульсного сигнала с помощью его разложения на импульсы меньшей амплитуды. Максимальные напряжения импульсов на выходе по модулю составили 30 мВ для дифференциального и 23 мВ – для синфазного режимов. Вносимые потери составили –24,4 дБ и –26,7 дБ для дифференциального и синфазного режимов соответственно. Формы напряжения на выходе заявляемого защитного устройства в дифференциальном (….) и синфазном (–––) режимах.In FIG. Figure 4 shows the results of a computational experiment, from which it can be seen that the attenuation of the acting pulse signal by means of its decomposition into pulses of smaller amplitude. The maximum pulse voltages at the output modulo were 30 mV for differential and 23 mV for common mode. Insertion loss was -24.4 dB and -26.7 dB for differential and common mode, respectively. The voltage forms at the output of the proposed protective device in differential (....) and common mode (–––) modes.
Устройство работает следующим образом: в дифференциальном режиме на вход устройства между активными проводниками подается помеховый импульсный сигнал малой длительности, который, распространяясь вдоль заявляемой структуры раскладывается на последовательность импульсов, амплитуда которых становится меньше за счет модального разложения сигнала, после полосковой структуры токи импульсной помехи, протекающие через обмотки синфазного дросселя, индуцируют магнитные потоки, которые взаимно компенсируют друг друга, не приводя к насыщению магнитопровода, в результате синфазный дроссель обладает низким индуктивным сопротивлением, а дальнейшее ослабление помех определяется передаточной характеристикой LC-звеньев фильтра, образуемых катушками индуктивности L Д и конденсаторами C Д , C С; в синфазном режиме на вход устройства на активные проводники относительно опорных подается помеховый импульсный сигнал малой длительности, который, распространяясь вдоль структуры, раскладывается на последовательность импульсов, амплитуда которых также становится меньше за счет модального разложения сигнала, после полосковой структуры токи импульсной помехи, протекающие через обмотки синфазного дросселя, индуцируют магнитные потоки одной направленности, которые накладываются друг на друга в результате чего растет индуктивное сопротивление синфазного дросселя, так же на помеху воздействуют LC-звенья фильтра, образуемые катушками индуктивности L Д и конденсаторами C С. Таким образом, устройство способно ослаблять помеховый сигнал в дифференциальном и синфазном режимах воздействия помехи. The device operates as follows: in the differential mode, a short-duration interference pulse signal is applied to the input of the device between the active conductors, which, propagating along the inventive structure, is decomposed into a sequence of pulses, the amplitude of which becomes smaller due to the modal decomposition of the signal, after the strip structure, the impulse noise currents flowing through the windings of the common-mode choke, they induce magnetic fluxes that mutually compensate each other, without leading to saturation of the magnetic circuit, as a result, the common-mode choke has a low inductive resistance, and further attenuation of interference is determined by the transfer characteristic of the LC filter sections formed by inductors L D and capacitors C D , C C ; in common mode, a short-duration interfering pulse signal is applied to the input of the device on active conductors relative to the reference ones, which, propagating along the structure, is decomposed into a sequence of pulses, the amplitude of which also becomes smaller due to the modal decomposition of the signal, after the strip structure, impulse noise currents flowing through the windings common-mode choke, induce magnetic fluxes of the same direction, which are superimposed on each other, as a result of which the inductive resistance of the common-mode choke increases, the LC filter links formed by inductors L D and capacitors C C also affect the interference. Thus, the device is capable of attenuating the interference signal in the differential and common-mode interference modes.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773640C1 true RU2773640C1 (en) | 2022-06-06 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556438C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Non-jamming delay line |
| RU2603850C1 (en) * | 2015-07-16 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of routing printed conductors of circuits with redundancy |
| RU2748423C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-05-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Strip structure protecting against extra short pulses in differential and synphase modes |
| RU2751672C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-07-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Method for arranging printed conductors for circuits with modal redundancy |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2556438C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Non-jamming delay line |
| RU2603850C1 (en) * | 2015-07-16 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of routing printed conductors of circuits with redundancy |
| RU2748423C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-05-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Strip structure protecting against extra short pulses in differential and synphase modes |
| RU2751672C1 (en) * | 2020-08-10 | 2021-07-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Method for arranging printed conductors for circuits with modal redundancy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9312062B2 (en) | Common mode choke coil | |
| KR100712058B1 (en) | Electrostatic countermeasure parts | |
| US7511594B2 (en) | Noise filter and noise filter array | |
| US7821759B2 (en) | Surge absorption circuit | |
| US20060077646A1 (en) | Combined varistor and LC filter device | |
| US20090033439A1 (en) | Multilayer filter | |
| US20060077018A1 (en) | Filter having parasitic inductance cancellation | |
| US9882542B2 (en) | Filter component | |
| US7446992B2 (en) | Connector | |
| US9230723B2 (en) | Laminated common mode choke coil and high frequency component | |
| US20150077889A1 (en) | Protective device | |
| JPH02280410A (en) | Lc noise filter | |
| RU2773640C1 (en) | Improvement of the device protecting against ultra-short pulses in differential and common modes | |
| JP4449838B2 (en) | Surge absorption circuit | |
| US20210036676A1 (en) | Filter device | |
| JP4483552B2 (en) | Surge absorption circuit | |
| RU2748423C1 (en) | Strip structure protecting against extra short pulses in differential and synphase modes | |
| JP4668279B2 (en) | Signal coupling device for power line carrier communication | |
| KR20220096098A (en) | Namd antenna emp filter apparatus having hemp protection capability | |
| US20230318575A1 (en) | Band pass filter circuit with over-voltage protection | |
| US20050168298A1 (en) | Electromagnetic interface module for balanced data communication | |
| JP4569885B2 (en) | Broadband rejection filter | |
| CN217590255U (en) | Short wave protection circuit and protection assembly | |
| EP4436114A1 (en) | Signal transmission system | |
| KR100786416B1 (en) | Laminated chip device |