ProtectiCap系列电容应对高压飞弧现象-电子技术方案|电路图讲解

表面电弧、电弧放电、飞弧、电晕放电，这些名词其实指的是同一种现象，即高压放电现象。我们不希望这种现象出现，是因为这会产生干扰并可能导致元件失效。当电压超过表面介电强度时高压飞弧便产生了。电容器两个端头间的高电位差可导致空气的局部电离，之后可能完全击穿空气并产生火花放电，该火花可被目视及听见，相关联的电晕放电会产生电子噪声。图1显示了高压飞弧的产生过程。


图1：高压飞弧的产生过程

高压飞弧的起始电压是指产生高压飞弧的临界电压，它受以下几个因素影响：

1.湿度。湿度高时，飞弧现象产生得更普遍，这就解释了为何高压飞弧问题会带有季节性的特点，以及为何在湿度较高的地理区域问题更加普遍。

2.表面污染。锡球，焊剂残留物及在制造、加工和装配过程中沾染的其他污染物。

3.电介质类型。更高介电常数的材质和更高的容值会更易产生飞弧现象。C0G/NP0材质的电容器一般不受影响。

4. PCB板设计。超过标准尺寸的焊盘，电容器下方的通孔，夹层，以及由于形状特殊而不易清洁的死角，都容易导致飞弧现象。

为了防止飞弧现象的产生，焊盘间应留有足够间距且不能有尖角，此外PCB板在焊接后需做好清洁。诸如湿度之类的环境因素更难控制，这也是为什么大多数供应商提供的高压陶瓷电容需要绝缘灌封的原因。

解决方案ProtectiCap

假设PCB板的设计符合要求，Syfer/Knowles供应的ProtectiCap高压电容无需对PCB板进行绝缘灌封，即可提供稳定的高压性能。Syfer/Knowles凭借其独特的湿法工艺制程，将低介电常数的玻璃铀材质镀在陶瓷电容器表面，并且对电容器的耐高压特性进行最优化设计。密封、光滑和低介电常数的镀层，在更小电容尺寸下，实现了更高耐压及更大容值，一个最好的例子便是1206P3K00102KXT（1206，3KV，1nF），该规格电容以前只能用1808尺寸来实现。Syfer/Knowles进行了大量测试以评估ProtectiCap系列产品的性能。全系产品均测试了飞弧产生的最低起始电压，证实该系列产品较之普通电容器产品有了至少1000V以上的耐压性能提升。


图2：ProtectiCap的结构图


图3：高压飞弧起始电压测试

从图3可以看出，大量测试表明同等尺寸规格下，ProtectiCap较之普通高压电容在飞弧起始电压方面表现出全面的性能优势。该测试在Syfer/Knowles的生产测试设备上进行，柱状图表明高压飞弧发生前的最大测试电压。电压以瞬时方式施加，最大电流限制在50mA.

可提供的产品系列

尺寸可选1206、1210、1808、1812及2220.容值上限33nF，耐压上限5kV.因具备高压、高容及小尺寸的特性，1206P3K00102KXT（1206，3000V，1nF）成为DC-DC模块隔离电容的理想之选。该系列电容兼容ROHS和非ROHS焊接曲线，波峰焊接，常用PCB板清洗过程，以及绝缘灌封。

质量鉴定测试

为了验证ProtectiCap系列电容的可靠性和性能稳定性，基于对高可靠性产品的广泛认知，我们构建了一个测试体系，其包含的标准测试方法综合了多项国际认证体系，包括AEC-Q200，IECQ-IECC及美军标MIL等。

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随着单片机技术的飞速发展，以及电动机驱动芯片性能的日益完善，本设计系统通过单片机控制直流电动机实现了电动车在符合规定要求的跷跷板上的规定运动：在规定时间内的前进、后退运行；跷跷板处于平衡状态时以及到达跷跷板末端的停车候时；分阶段实时显示其行驶所用时间。该设计系统采用双CPU设计思路：选用AT89S52作为主CPU，主要完成对数据采集系统的数据处理，控制，电动车的实时显示，以及主从CPU的通信功能；选用AT89C2051作为从CPU，控制电机的转速。该设计系统中采用脉冲宽度调制技术（PWM）实现对直流电动机的准确与灵活调速。

1.系统设计

1.1总体方案分析论证

根据设计要求，以系统核心控制功能的实现为根本，提出两种系统总体设计方案进行分析论证：

方案一：采用中大规模的可编程逻辑电路作为核心控制部分，其功能模块包括标识线检测，行车路线矫正，实时显示，电机控制等。各个功能模块状态的保持或转移的条件取决于传感器采集的信号。

方案二：采用51系列单片机作为控制核心，并且采用主、从结构的双CPU系统设计思路：选用AT89S52作为主CPU，主要完成数据的采集、处理，电动车状态的实时显示，以及主从CPU的通信功能；选用AT89C2051作为从CPU，利用该型号单片机具备的脉冲宽度调制输出功能实现对直流电动机的准确与灵活的调速。此种设计思路可以有效的提高整机的实时控制性能，而且余留了大量的内存和接口，为系统进一步的功能扩展奠定了基础。对应的系统结构框图如图1所示。


图1 系统结构框图

上述两种方案理论上都是可行的，方案一原理简单，但在为了简化电路构成，选用大规模集成逻辑电路的同时，也令设计系统的成本大幅提升，从而使整机的性价比大大降低；方案二，选用性价比高的单片机构成双CPU系统，能够充分发挥单片机在小规模自动化设计系统的性价比优势，而且因设计者对单片机应用技术掌握的相对更加熟练，在设计调试过程中，可操作性更强，发挥的空间也更大，因此我们选用了实用性较强的方案二。

1.2主要功能模块方案分析论证

根据系统功能设计要求，该设计系统应包括：平衡检测模块、定位检测模块、直流电机驱动模块等三大功能模块。

1.2.1平衡检测模块方案论证

平衡检测模块的主要功能是实现系统检测、驱动、再检测、再驱动的一个循环修正电动车行驶路线，确保实现电动车在跷跷板上准确的按要求自动往返运行，平衡停滞待时，末端停滞待时，并能将采集到的相关测试信号送系统控制器进行小车行驶时间和平衡静止时的状态指示。根据所要实现的功能要求，我们提出两种设计方案：

方案一：使用角度传感器完成平衡检测部分。将角度传感器安装在支撑平板半圆柱块的顶端，板与地面有夹角变化，传感器的输出电压也相应地改变，被检测后送到单片机内进行处理，再由单片机对电机发出相应的控制信号。

方案二：自制一个透明的，直径约为1cm的塑料管，将一实心小铁球置入其内，两端封闭，在管的两端处分别安放一组对射式红外对管，将此装置平放在小车上，小车在板的中间处时，如果小球不是处于中间位置附近，就会滑到管的两端，对管的接收部分将接收不同的信号，经过处理后送到单片机进行处理，从而发出对电机的控制信号，调节板与地的夹角，直至其平衡。

通过试验，发现方案一测量起来非常复杂，信号处理电路也比较繁琐，方案二新颖别致，只要在调平衡的过程中掌握好电机的步距，特别注意微调，是能够达到功能控制要求的，因此我们选用了方案二来实现平衡检测功能。

1.2.2定位检测模块

根据题目设计要求，电动车从A点出发，B点停止5s，然后原路返回停到A点，为了使电动车能够稳定地停靠在规定的区域内，单片机只有实时获取其行驶状态，不断作出相应调整。因此我们分别从两个方面进行考虑：一方面，我们通过实验计算每一段的行驶距离来控制电动车的起动和停止位置；另一方面，在题目允许的范围内，我们可以在A、B、C三点分别作一横向的黑带，运用检测装置完成信号的采集，从而便于单片机对电动车的控制。基于此，我们提出以下两种设计方案。

方案一：选用霍尔传感器检测电动车行驶的速度。在车轮上均匀安装若干个磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，随着轮子的转动，将得到脉冲，即对应电动车的车轮转速。

方案二：使用反射式光电传感器对已设定的标志进行检测完成对应功能。在A、B、C三点均作出标志后，在小车的头部和尾部分别安装一个反射式传感器，保证电动车在往返时启动和停止功能的实现。对应原理图参电机专用驱动芯片1.2.1所示。

综合考虑上述方案，发现方案一中霍尔传感器安装较困难，测量精度无法满足题目要求，而方案二检测可靠性与精度都较高，并且易于实现，因此采用方案二。



图2 反射传感器和H桥式驱动单路

1.2.3直流驱动模块

电动车电机的驱动系统的性能在很大程度上决定了电动车的整体运行性能，在电动车电动机的选择上，我们选用性价比高、控制简单的直流电机。直流电机的驱动方法很多，下面提出两种方案进行分析论证。

方案一：H型桥式驱动电路。这种电路应用十分广泛，在本设计系统中要不断地使电机在在正转和反转之间切换，也就是由S1、S2导通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、S4导通，这将令电路的功能调试工作较烦琐，且系统的硬件电路略显复杂。其工作原理示意图参见附录图1.2.2所示。

方案二：采用集成桥式电机专用驱动芯片。比如使用L298、LMD18200等集成芯片，这一设计方案可令系统的控制电路简洁，且可靠性高。

综合考虑，我们选用方案二实现直流电机的驱动。

1.3系统硬件设计

1.3.1检测电路设计

光电传感器广泛应用于检测电路中，按结构形式可以分为反射式和对射式。本设计系统中电动车的行车路线检测，起停检测电路都要有反射式光电传感器完成，我们直接选用TCRT5000传感器，它是将一对红外发射、接收对管按合理的发射、反射接收角度安装在一个封装内，从而安装使用非常方便，测试准确度高；而平衡性检测电路由对射式光电传感器完成，此发射接受电路是有分立器件自行安装、调试的，测试结果理想。

对射式光电传感器也是由红外线发射管、接收管构成，并且二者位于同一直线上，相距约10～20mm，两管间没有障碍物时接收管接收到的红外线明显不同于有障碍物时，这样在接收端就会产生高低电平信号。为了让电动车行驶到C点，跷跷板达到平衡，我们制作了一个圆筒，并将其水平放在小车上，通过检测其内的小球所处的位置来调整电动车的位置，从而达到板的平衡。其检测原理图参见附录图3所示，在设计中，我们在圆筒的两端分别安装一个对射式光电传感器。


图3 对射式光电传感器原理和电压比较器电路

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