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第六章智能電器監(jiān)控器的電磁兼容性設(shè)計(jì),主要內(nèi)容,電磁兼容概述智能電器監(jiān)控器的電磁兼容性設(shè)計(jì)問題智能電器監(jiān)控器的EMI測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法,電子產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)是保證其可靠安全運(yùn)行的重要措施之一。隨著工業(yè)化的高度發(fā)展,電磁污染已經(jīng)嚴(yán)重地影響到各類電子產(chǎn)品的安全可靠運(yùn)行,電磁兼容性已成為衡量電子產(chǎn)品是否合格的重要指標(biāo)。智能電器運(yùn)行于各種電壓等級(jí)和不同工作電流的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,其監(jiān)控器將受到電力系統(tǒng)及其用電負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種電磁干擾。,這些干擾不僅影響監(jiān)控器的正常工作,嚴(yán)重時(shí)還將損壞監(jiān)控器,造成智能電器一次開關(guān)操作失誤,極大地影響被監(jiān)控和保護(hù)對(duì)象的安全可靠運(yùn)行。提高智能電器電磁兼容性是保證智能電器工作性能和可靠運(yùn)行的重要措施之一,也是智能電器監(jiān)控器設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。,6.1電磁兼容概述按IEC標(biāo)準(zhǔn),電磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指在有限空間、有限時(shí)間、有限頻譜資源條件下的各種用電設(shè)備可以共存,不使設(shè)備可靠性、安全性降低的性能。電子產(chǎn)品的電磁兼容性包括兩方面內(nèi)容:產(chǎn)品抵抗外部電磁干擾,保持正常工作的能力(抗擾性)。,自身工作時(shí)不對(duì)其他電子產(chǎn)品造成干擾的性能(干擾抑制)。對(duì)于EMC這一概念,作為一門學(xué)科,它稱為“電磁兼容”,而作為一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容能力,則稱為“電磁兼容性”。6.1.1電磁兼容基本概念主要討論常用的基本術(shù)語、基本的干擾來源、耦合途徑和干擾模型。,1.基本術(shù)語(1)電磁干擾(EMI)破壞性電磁能通過輻射或傳導(dǎo)在電子設(shè)備間傳播的過程。(2)電磁敏感度(Electromagneticsceptibility,EMS)設(shè)備或系統(tǒng)受電磁干擾使工作中斷甚至被破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)。,(3)自兼容性設(shè)備內(nèi)部數(shù)字部分對(duì)模擬部分的干擾、導(dǎo)線間的串?dāng)_和造成數(shù)字電路工作紊亂的內(nèi)部因素及其抑制能力。(4)抗擾性設(shè)備抵抗空間電磁干擾(輻射干擾)和通過傳輸電纜、輸電線及I/O連接器的電磁干擾的能力。,(5)抑制(Suppression)采用某些特殊方法消除或減少存在的射頻能量。(6)密封(Containment)采用金屬封套或涂有射頻導(dǎo)電漆的塑料外殼,屏蔽電磁能量進(jìn)入設(shè)備或從設(shè)備泄漏。,2設(shè)計(jì)中常見的電磁干擾類型(1)射頻干擾各類無線通信設(shè)備對(duì)電子產(chǎn)品工作的干擾。典型的設(shè)備故障出現(xiàn)在場(chǎng)強(qiáng)為110V/m的范圍內(nèi)。(2)電力干擾電力線電磁場(chǎng)、電流電壓浪涌、電壓閃變、電力線諧波等產(chǎn)生的電磁干擾。,(3)靜電放電不同靜電電位的物體因靠近或接觸發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移。一般定義邊沿變化小于1ns的高頻放電有接觸式和輻射式兩種。接觸式放電造成設(shè)備永久損壞或潛在隱患;輻射式放電只影響設(shè)備工作,不會(huì)造成永久性破壞。,3.簡(jiǎn)單的電磁干擾模型1)簡(jiǎn)單電磁干擾模型的3個(gè)要素:(1)干擾源能發(fā)出一定能量的干擾信號(hào)的設(shè)備。(2)接收器能接收干擾源能量并受其影響,使工作發(fā)生紊亂的器件和設(shè)備。,(3)耦合路徑干擾源和接收器之間傳輸電磁干擾能量的路徑。2)干擾模型,4系統(tǒng)級(jí)和PCB級(jí)的EMI電子產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)(整機(jī))和內(nèi)部PCB(印制電路板)兩個(gè)層面,并針對(duì)產(chǎn)生干擾的原因,采取抑制措施。1)系統(tǒng)級(jí)EMI產(chǎn)生的原因和抑制系統(tǒng)級(jí)EMI就是整機(jī)受到的電磁干擾。(1)引起系統(tǒng)級(jí)干擾的主要因素:產(chǎn)品封裝措施不當(dāng)。,產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)不合理,制造質(zhì)量不高,電纜與電氣接頭接地不可靠。PCB布局錯(cuò)誤,如信號(hào)走線布局和多層板分層不恰當(dāng)、共模和差模信號(hào)濾波器設(shè)計(jì)不正確、旁路和去耦不足,板上有接地環(huán)路等。(2)主要抑制措施采取合適的方法保證產(chǎn)品良好的屏蔽。,合理可靠的接地和旁路設(shè)計(jì)。選用合適的線路濾波器。保證產(chǎn)品各部分可靠的電氣隔離。正確設(shè)計(jì)各部分間的連線和PCB布線并控制其阻抗等。,2)PCB的電磁干擾模型干擾主要是頻率范圍10kHz100MHz的射頻信號(hào)。(1)干擾源時(shí)鐘振蕩電路、塑封IC芯片、不正確的布線、匹配不當(dāng)?shù)淖杩?、?nèi)部電纜連接器。(2)傳播路徑互連電纜和自由空間等承載射頻能量的媒質(zhì)。,(3)接收器PCB上的元件、信號(hào)傳輸線、電源線。(4)產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容減小自身對(duì)外的電磁干擾能量,降低干擾源電壓和傳播效率。減小進(jìn)入本體的外界電磁干擾能量,降低自身的電磁敏感度或提高自身的抗擾能力。,5電磁干擾的耦合從干擾源到接收器,電磁干擾可以有不同的耦合路徑,每種路徑又有不同的傳輸機(jī)制。1)耦合路徑干擾源到接收器的直接輻射;干擾源對(duì)接收器信號(hào)I/O電纜的輻射。,通過信號(hào)I/O電纜或AC干線輻射到接收器。通過普通電力線或信號(hào)I/O電纜傳播。電磁干擾的耦合路徑示意圖,2)耦合路徑的傳輸機(jī)制每種耦合路徑都有傳導(dǎo)和輻射兩種機(jī)制,就是通常所指的“路”和“場(chǎng)”的偶合方式,也稱為傳導(dǎo)耦合與電磁場(chǎng)耦合。傳導(dǎo)耦合通過噪聲源與接收器間連線的公共阻抗產(chǎn)生;電磁場(chǎng)耦合是電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種耦合機(jī)制的綜合。電磁場(chǎng)耦合機(jī)制的原理圖,頻率越高,場(chǎng)的影響越大;頻率越低,通過路傳導(dǎo)的EMI效率越高。實(shí)際上,對(duì)于任何采用數(shù)字信號(hào)工作的電子電路,通過路和場(chǎng)耦合的干擾總是同時(shí)存在的。,磁場(chǎng)耦合,電場(chǎng)耦合,6.1.2電子產(chǎn)品中電磁發(fā)射和磁場(chǎng)干擾的抑制1、產(chǎn)品中電磁發(fā)射和磁場(chǎng)干擾的產(chǎn)生機(jī)理電磁發(fā)射各種數(shù)字電路芯片和高頻模擬電路芯片運(yùn)行過程中,因PCB走線或產(chǎn)品各部分連線的設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生天線效應(yīng),發(fā)出電磁波引起的射頻干擾。當(dāng)電磁波能量達(dá)到一定值時(shí),將會(huì)影響周圍電子設(shè)備和自身的正常工作。,磁場(chǎng)干擾產(chǎn)品內(nèi)部的電源線和高頻工作的電感性元件工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過輻射方式干擾產(chǎn)品運(yùn)行,造成的工作紊亂。了解電磁發(fā)射和磁場(chǎng)干擾的抑制方法,對(duì)產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)十分重要。,2、電子產(chǎn)品的電磁發(fā)射及其抑制在電子設(shè)備中,數(shù)字電路芯片端口信號(hào)跳變沿的頻率可達(dá)數(shù)百兆赫茲,有些模擬電路信號(hào)頻率達(dá)到兆赫茲以上,這些數(shù)字或模擬信號(hào)都可能通過導(dǎo)線傳導(dǎo)干擾或向空中幅射干擾,影響電子設(shè)備自身并干擾其他電子設(shè)備。,1)抑制電磁發(fā)射的基本措施(1)降低干擾信號(hào)的能量在不影響產(chǎn)品整體工作性能的前提下,減小數(shù)字信號(hào)的跳變速率或降低數(shù)字信號(hào)的傳輸速度。采用貼片元件,縮短高頻工作芯片的外引腳,減小傳輸高頻信號(hào)走線的長(zhǎng)度,可抑制天線效應(yīng),減少高頻信號(hào)幅射能量。,(2)隔離干擾信號(hào)的傳播途徑最簡(jiǎn)單有效的隔離方法是屏蔽,常用的屏蔽有3個(gè)層面。采用導(dǎo)磁金屬材料外殼封裝,外殼可靠接地(大地)。容易產(chǎn)生高頻幅射的局部電路或IC芯片加金屬屏蔽罩,屏蔽罩接信號(hào)地。,電路板中傳輸高速數(shù)字信號(hào)或高頻模擬信號(hào)的走線兩側(cè)敷銅并接信號(hào)地,實(shí)現(xiàn)與其他信號(hào)線的隔離。(3)濾波直接在電路芯片電源引腳間接入去耦電容或去耦電阻電容,濾除通過電源走線進(jìn)入芯片的高頻干擾信號(hào)。,在產(chǎn)品交流220V電源輸入端設(shè)置電源濾波器,防止產(chǎn)品工作時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾進(jìn)入電網(wǎng)。3、電磁能量的干擾機(jī)理及其抑制1)干擾來源大電流或高頻導(dǎo)線(或銅排)中流過電流時(shí),在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)。,開關(guān)電源的高頻變壓器及一切電感元件在工作時(shí)必然產(chǎn)生的漏磁通。2)干擾機(jī)理上述磁通穿過芯片或敏感電路模塊,半導(dǎo)體中的帶電粒子(電子和空穴)在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力,偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向,使芯片和模塊的工作電流波形受磁場(chǎng)變化的調(diào)制而發(fā)生畸變,導(dǎo)致這些芯片或電路模塊的正常工作受到干擾。,信號(hào)電流總是在閉合回路中流動(dòng)。當(dāng)外部干擾磁通穿越閉合回路包圍的面積時(shí),會(huì)在閉合回路中感應(yīng)電流,同樣會(huì)造成電流波形畸變。3)抑制措施屏蔽干擾磁場(chǎng)。減小信號(hào)電流的回路面積。,(1)屏蔽方法最常用的抑制磁場(chǎng)輻射干擾的措施是采用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧掀帘?。變化的干擾磁通穿過導(dǎo)電材料(如薄銅皮)時(shí),會(huì)在其中產(chǎn)生渦流,并生成方向相反的磁通,可以削弱穿過導(dǎo)電屏蔽層的干擾磁通。高頻變壓器磁心外包一層形成短路環(huán)的薄銅皮,可有效抑制變壓器漏磁通外泄。,用導(dǎo)磁材料(鐵板或鋼板)做設(shè)備的機(jī)箱,是整機(jī)磁屏蔽的常用方法。這種方法不僅可以抵抗外部干擾磁通進(jìn)入電子設(shè)備,而且能避免內(nèi)部磁通外泄。屏蔽材料導(dǎo)磁性越好,板越厚,機(jī)箱不易發(fā)生磁飽和,屏蔽效果也越好。(2)減小信號(hào)電流回路包圍面積的措施減小信號(hào)電流回路面積的目的是減少穿越其中的干擾磁通。,常用措施:采用雙絞線,使信號(hào)電流的去線和回線緊密絞合,可以縮小回路包圍的面積。用屏蔽線做外部引入的信號(hào)線。使用時(shí)將心線作為信號(hào)電流去線,銅絲編織的屏蔽層作為信號(hào)電流的回線,必須單端接信號(hào)地。這種方法的回路面積小于雙絞線,屏蔽層還能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。,在保證絕緣安全的前提下,PCB中的信號(hào)線與地線盡量靠近以縮小信號(hào)電流回路包圍的面積。選用PCB上的IC芯片和電路模塊時(shí),在保證電路功能的條件下,應(yīng)盡量選用電源進(jìn)線引腳和零伏線引腳靠近的封裝PCB設(shè)計(jì)時(shí),在確保絕緣安全的前提下,使電源線和零伏線靠近布置。,6.1.3差模干擾和共模干擾差模干擾DMI(DifferenceModeInterference)和共模干擾CMI(CommonModeInterference)都是傳導(dǎo)干擾。產(chǎn)品工作環(huán)境的電磁干擾、PCB板上各種走線布置、進(jìn)線和回線自身及其對(duì)接地機(jī)殼阻抗不完全一致,在交流電源輸入端和工作信號(hào)輸入端會(huì)存在共模電壓和差模電壓,并在傳輸導(dǎo)線中產(chǎn)生相應(yīng)的電流。,共模電壓在電源或信號(hào)的進(jìn)線和回線中產(chǎn)生的干擾電流方向相同,而差模電壓產(chǎn)生的電流方向相反。共模電流和差模電流不僅干擾電源和信號(hào)的電流波形,還產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射,影響PCB的正常工作。,差模電流,共模電流,1、差模干擾的抑制差模電壓出現(xiàn)在電源或信號(hào)傳輸?shù)倪M(jìn)線和回線間,在進(jìn)線和回線中的差模電流方向相反,產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)。只要使進(jìn)線和回線近距離平行走線,差模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)就可以相互抵消,減小干擾。,2、共模干擾的抑制共模電壓存在于電源或信號(hào)的進(jìn)線和回線與接地金屬外殼之間,使得在進(jìn)線和回線中共模電流的方向相同,產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同,相互疊加。共模干擾不能簡(jiǎn)單地通過布線來減小,最有效的措施是使共模電壓為零。常用的方法是靈敏接地。,3、系統(tǒng)級(jí)共模和差模干擾的抑制系統(tǒng)級(jí)共模和差模干擾是指由產(chǎn)品外部干擾產(chǎn)生的共模/差模電壓/電流導(dǎo)致的干擾。當(dāng)前采用最多、最有效的減少系統(tǒng)級(jí)共模和差模干擾的方法,是在產(chǎn)品的交流電源入口端接入適當(dāng)?shù)木€路濾波器,可以有效地隔離外部共模和差模電壓及其產(chǎn)生的電流。,6.2.1監(jiān)控器受到的主要干擾1、低頻干擾造成低頻干擾的因素:高、中、低電壓電網(wǎng)中的諧波干擾,一般應(yīng)考慮到40次諧波(2000Hz)。電網(wǎng)電壓跌落和短時(shí)中斷。電網(wǎng)三相電壓不平衡和電網(wǎng)頻率變化引起的干擾。,2、高頻干擾20kHz以上的電壓浪涌和50kHz以上的電流浪涌與電網(wǎng)中的開關(guān)電器操作,變壓器、電動(dòng)機(jī)及繼電器等感性負(fù)載的投切和雷擊、線路或負(fù)載短路等因素有關(guān)。快速瞬變脈沖群干擾電器元件器接點(diǎn)彈跳、真空斷路器操作時(shí)電弧電壓不穩(wěn)定引起。,3、靜電放電干擾來自雷電、操作者和鄰近物體對(duì)設(shè)備的放電。4、磁場(chǎng)干擾工頻電流或變壓器磁場(chǎng)泄漏產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)干擾。由雷電或大功率電力電子裝置運(yùn)行引起的脈沖磁場(chǎng)干擾。,6.2.2監(jiān)控器的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的目的是減小監(jiān)控器整體對(duì)低頻干擾、高頻干擾、靜電放電和磁場(chǎng)干擾的靈敏度,提高監(jiān)控器對(duì)這些干擾的抵抗能力。1.靜電放電干擾的抑制1)靜電放電分類直接耦合造成設(shè)備永久損壞。,輻射耦合影響監(jiān)控器正常工作。2)抑制方法靜電干擾最有效的抑制方法是讓監(jiān)控單元屏蔽外殼良好接地(大地)。3)操作措施把監(jiān)控單元用的開關(guān)電源金屬外殼與單元本體的屏蔽外殼可靠連接,同時(shí)把單元本體的屏蔽外殼直接接地。,2.減小電網(wǎng)電壓跌落和短暫中斷的影響(1)采用具有寬輸入電壓范圍并帶有儲(chǔ)能電感和電容的開關(guān)電源為監(jiān)控器供電。(2)增設(shè)對(duì)電源供電質(zhì)量的監(jiān)視,在電源電壓跌落到極限值后,監(jiān)控器報(bào)警并閉鎖一些服務(wù)功能。(3)設(shè)置備用電源。,3.濾除快速瞬變脈沖群的干擾(1)干擾來源監(jiān)控單元輸出繼電器接點(diǎn)彈跳;一次真空斷路器操作時(shí)電弧不穩(wěn)定。(2)特點(diǎn)單個(gè)脈沖上升時(shí)間快,持續(xù)時(shí)間短,能量低,重復(fù)頻率較高。一般脈沖周期在50s以內(nèi),脈沖群重復(fù)率1100次/s、尖峰電壓2003000V。,這種干擾會(huì)通過電源、模擬通道、二次采樣互感器影響監(jiān)控器工作。(3)應(yīng)對(duì)措施設(shè)置電源線路濾波器脈沖群干擾信號(hào)容易從電源線進(jìn)入監(jiān)控器內(nèi)部,通過輻射或傳導(dǎo)耦合的方式干擾內(nèi)部工作信號(hào)或影響電路元件工作。,解決方案:在供電電源的交流輸入端接入高品質(zhì)的無源線路濾波器,將干擾信號(hào)阻隔在智能監(jiān)控器的外部。線路濾波器應(yīng)同時(shí)考慮抑制共模干擾和差模干擾。差模干擾(Vcd)常產(chǎn)生在相間和相與中線之間;共模干擾(Vcm)常出現(xiàn)在電源線與地線之間。,線路濾波器的基本結(jié)構(gòu),消除模擬量輸入通道的干擾快速瞬變脈沖群可通過二次(采樣用)互感器對(duì)模擬量輸入通道產(chǎn)生共模和差模干擾。兩種抑制措施:監(jiān)控器專用采樣互感器二次側(cè)加入LC組成的型低通濾波器。濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)保證對(duì)基波基本無影響,幅度衰減為零,相移小于0.3。,監(jiān)控器模擬量輸入通道線路中接入高頻磁環(huán),以不同的接線方式分別抑制差模和共模干擾。用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)吸收過電壓能量瞬變脈沖群電壓以傳導(dǎo)或輻射方式干擾監(jiān)控器工作的直流電源,會(huì)使PCB電路中的芯片和元件因承受超過其允許工作電壓的脈沖電壓而損壞。,應(yīng)對(duì)措施:在電源模塊輸出直流側(cè)并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)吸收過電壓能量。TVS擊穿電壓按監(jiān)控器直流電源電壓選擇,最大峰值脈沖功耗由可能加在電源上過電壓能量的最大值決定。裝設(shè)去耦電容每個(gè)芯片的電源和零線之間再加一級(jí)去耦電容,進(jìn)一步消除由電源線竄入的干擾通過耦合方式影響PCB板上的信號(hào)線。,4.電壓、電流浪涌的吸收常見的浪涌分雷電浪涌電流和開關(guān)操作浪涌電壓。(1)特點(diǎn)基本上是單極性脈沖或迅速衰減的振蕩波,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。單極性脈沖上升比較緩慢但能量大。,(2)危害方式通過傳導(dǎo)和輻射進(jìn)入監(jiān)控器內(nèi)部,造成電路芯片、元件甚至整機(jī)的損壞。(3)主要應(yīng)對(duì)措施在電源模塊的交流輸入側(cè)線路濾波器前和輸出直流側(cè)并接過壓抑制器。常用元件有壓敏電阻、氣體放電管和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。,1)壓敏電阻是一種非線性、箝壓型電阻元件,用于吸收開關(guān)操作、雷擊引起的電源線路中的浪涌能量,抑制被保護(hù)線路的過電壓。電路符號(hào)與伏-安特性,(1)使用特點(diǎn)能吸收很大的浪涌電能量,但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流。(2)主要選用參數(shù)壓敏電壓是壓敏電阻的擊穿電壓(或閾值電壓),指在其中通入1mA直流電流時(shí)測(cè)到的元件兩端的電壓。,壓敏電壓選擇原則:為保證電壓抑制效果和元件自身的使用壽命,實(shí)際應(yīng)用中,壓敏電壓一般按1.5倍被保護(hù)電路電壓的峰值或2.2倍電路電壓有效值選擇。2)通流容量環(huán)境溫度為25,用規(guī)定的沖擊電流波形對(duì)元件沖擊規(guī)定的次數(shù),其壓敏電壓的變化不超過10的最大脈沖電流值。,(1)通流容量的選擇方法為了壓敏電阻自身工作的安全,通流容量應(yīng)大于元件可能吸收的最大浪涌能量。考慮到保護(hù)效果,所選用的通流容量應(yīng)更大一些,通常根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的容量按經(jīng)驗(yàn)選取。(2)使用要點(diǎn)用伏安特性盡可能一致的元件并聯(lián),可擴(kuò)大其通流容量。,能夠吸收的浪涌能量大,但寄生電容容量大,響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),而且隨著沖擊次數(shù)增加,其漏電流也增加。當(dāng)前使用較多的是氧化鋅(ZnO)壓敏電阻。2)氣體放電管由一對(duì)封裝在玻璃管中的電極組成,使用時(shí)與被保護(hù)電路并聯(lián)。,(1)氣體放電管的特性表現(xiàn)為開關(guān)型。施加在電極間的電壓超過極間氣體間隙放電閾值時(shí),氣體間隙被擊穿,呈現(xiàn)出近似短路的狀態(tài)。擊穿的閾值電壓隨擊穿次數(shù)增加而降低。(2)氣體放電管的使用特點(diǎn)一般不在直流電路中使用。,交流電路中被擊穿后可以恢復(fù),但會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的恢復(fù)電流,可能使氣體放電管損壞。因此,氣體放電管必須與適當(dāng)阻值的電阻串聯(lián)再與被保護(hù)電路并聯(lián)。在實(shí)際應(yīng)用中,氣體放電管常與壓敏電阻串聯(lián)使用。原理電路,這種用法可限制出現(xiàn)浪涌時(shí)流經(jīng)氣體放電管的跟隨電流。同時(shí),由于電容的旁路作用,在放電開始的瞬間,浪涌能量不直接進(jìn)入壓敏電阻,可減緩浪涌次數(shù)對(duì)壓敏電阻漏電流增加的影響。3)瞬態(tài)電壓抑制器TVS(TransientVoltageSuppressor)是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件,也是箝位型的電子器件。,TVS分為單極性和雙極性兩種,分別適用于直流和交流電路保護(hù),使用時(shí)與被保護(hù)對(duì)象并聯(lián)。TVS的特性,(1)TVS使用特點(diǎn)承受浪涌峰值電流的能力低于壓敏電阻,額定的箝位電壓越高,耐受浪涌峰值電流的能力越低。在規(guī)定反向應(yīng)用條件下承受一定高能量的浪涌脈沖時(shí),其工作阻抗可在1ps內(nèi)由高阻變?yōu)榈妥?,使浪涌脈沖電流通過,并將電壓箝制在器件規(guī)定的水平。,承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦,電壓箝位時(shí)間一般為1012s,響應(yīng)時(shí)間1ps。環(huán)境溫度TA=25,脈沖持續(xù)時(shí)間t=10ms條件下,允許的正向浪涌電流可達(dá)50200A。(2)應(yīng)用要點(diǎn)可按保護(hù)對(duì)象的實(shí)際工作電壓允許的波動(dòng)選擇器件額定電壓。,承受浪涌峰值電流的能力較低,在實(shí)際應(yīng)用中,多用于被保護(hù)裝置電源模塊直流輸出端的過壓保護(hù)。用于被保護(hù)裝置電源模塊交流輸入端時(shí),一般需要與壓敏電阻等大功率浪涌吸收元件配合,作為提高對(duì)浪涌響應(yīng)速度的輔助元件。,6.2.3監(jiān)控器PCB的抗干擾設(shè)計(jì)PCB是監(jiān)控器的核心組成部分,包含了監(jiān)控器中幾乎所有的電路元件、信號(hào)和工作電源電路走線、與外部設(shè)備和交流電源的I/O連接件。它們既是干擾源也是接收器。PCB的抗干擾設(shè)計(jì)是監(jiān)控器EMC設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。,1PCB與EMI1)PCB產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理電路中的數(shù)字信號(hào)包含的高次諧波。高速數(shù)字IC芯片內(nèi)部開關(guān)元件工作狀態(tài)改變過程會(huì)產(chǎn)生電流突變。無源電路元件和走線對(duì)不同的工作頻率,會(huì)呈現(xiàn)完全不同的阻抗特性。對(duì)數(shù)字電路工作信號(hào)的高頻段,電路將呈現(xiàn)完全不同的工作狀態(tài),造成電磁干擾。,設(shè)計(jì)時(shí)只從單一的頻率響應(yīng)考慮電路元件,或只從時(shí)域特性選擇元件,也有可能引起EMI。2)導(dǎo)線和PCB走線導(dǎo)線或PCB走線都有潛在的寄生電容和電感,影響其實(shí)際阻抗及其對(duì)頻率的響應(yīng)。,導(dǎo)線和PCB走線在DC和低頻應(yīng)用中基本呈現(xiàn)電阻特性,在高頻段則主要表現(xiàn)為電感。PCB走線長(zhǎng)度選擇不當(dāng),可能使其寄生電感和被連接的電容元件對(duì)數(shù)字信號(hào)頻譜中的某些頻率產(chǎn)生諧振,成為一根輻射天線。EMC設(shè)計(jì)中,一般要求導(dǎo)線或走線長(zhǎng)度小于特定頻率電磁波波長(zhǎng)的1/20。,原因:,導(dǎo)線(或PCB走線)及無源電路元件的頻域等效,3)無源電路元件各種無源電路元件對(duì)高頻信號(hào)都表現(xiàn)出不同于它們實(shí)際應(yīng)有的阻抗特性。(1)電阻影響電阻元件潛在特性因素是頻率,低頻段為電阻,高頻段為電感、電阻、電容的復(fù)合。,元件材料:不同材料的電阻,存在與頻域相關(guān)的限制。元件封裝尺寸:電阻的封裝尺寸與其寄生電容相關(guān),在GHz頻率范圍內(nèi)影響極大;元件安裝方式:影響PCB過電壓損壞,表貼安裝比引線安裝更易受到靜電放電(ESD)事件的破壞。,EMC設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題:,(2)電容電容器的實(shí)際特性為R-L-C串聯(lián)。在工作頻率低于其諧振頻率時(shí),主要表現(xiàn)為電容,超過諧振頻率時(shí),將呈現(xiàn)出電感特性而失去電容器功能。,(3)電感感抗與頻率呈線性關(guān)系。在低頻段,電感可等效為電阻和電感串聯(lián),不必考慮線圈匝間、層間的寄生電容。但對(duì)于高頻信號(hào),寄生電容的影響遠(yuǎn)大于電感。電路中電感用于阻斷電流中的高頻干擾。電感對(duì)高頻信號(hào)等效為L(zhǎng)、C并聯(lián)。干擾信號(hào)頻率越高,電感阻抗越大,電容的阻抗越小,干擾將通過電容偶合無法隔斷。,應(yīng)對(duì)措施采用鐵氧體鐵心電感。原因鐵氧體在低頻時(shí)電感很小,頻率超過一定值后,電感線性上升。采用這種鐵心,電感線圈繞組間的電容最小。,(4)變壓器功能供電、數(shù)字(或脈沖)信號(hào)隔離、I/O連接器、共模信號(hào)隔離等。潛在電氣特性繞組匝間有分布電容,層間和原、副邊之間有耦合電容。,造成的后果分布電容與漏感并聯(lián)諧振,對(duì)電壓信號(hào)頻譜中接近其諧振頻率的部分幅值放大,造成信號(hào)畸變和干擾。耦合電容的耦合度隨信號(hào)頻率增加而增加,對(duì)快速閃變、ESD、雷電等高頻信號(hào)失去隔離作用。,(5)小結(jié)PCB中產(chǎn)生EMI的根本原因:PCB電路工作時(shí)的時(shí)變電流電流通過導(dǎo)線將產(chǎn)生磁場(chǎng),而磁場(chǎng)穿過閉合回路時(shí)又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),從而引起EMI。時(shí)鐘和數(shù)字信號(hào)電流中的高頻諧波走線和無源元件對(duì)高頻諧波呈現(xiàn)的不同阻抗特性,對(duì)電路的工作產(chǎn)生不同的影響。,數(shù)字電路與模擬電路分開布置,分開供電;盡量加寬板上電源線和地線的線寬,以減小傳導(dǎo)阻抗造成的各芯片間的電位差;強(qiáng)電區(qū)域與弱電區(qū)域嚴(yán)格分離。除電源必須隔離外,還應(yīng)保證強(qiáng)電連線與弱電的連線之間最小距離不小于0.8cm,以減少串音耦合的干擾;,4)數(shù)字IC芯片智能電器監(jiān)控器PCB上的IC芯片大多是數(shù)字電路,它們工作時(shí)每一個(gè)邏輯狀態(tài)變化都會(huì)產(chǎn)生一次瞬時(shí)尖峰電流浪涌,引起接地噪聲。通常這種噪聲沒有足夠的能量,不會(huì)對(duì)PCB工作造成功能性影響。若邏輯信號(hào)的邊沿速率非常高,這種尖峰電流將會(huì)影響PCB工作性能。,(1)數(shù)字IC芯片對(duì)PCB工作影響邊沿速率邊沿速率指每納秒信號(hào)電壓或電流上升或下降的幅度,單位為V/ns或A/ns。它反映了元件工作狀態(tài)的切換速度,與元件的傳輸延時(shí)無關(guān)。通常邊沿速率都高于傳輸延時(shí)。但是元件速度越高,其邊沿速率必然越高。,邊沿速率對(duì)電路工作的影響產(chǎn)生寬頻率范圍的射頻能量;信號(hào)波形畸變。例如,一個(gè)邊沿時(shí)間為1ns的5MHz信號(hào)產(chǎn)生的射頻能量,遠(yuǎn)大于邊沿時(shí)間4ns,頻率為100MHz信號(hào)產(chǎn)生的射頻能量。,抑制邊沿速率過高產(chǎn)生射頻干擾的措施:在保證滿足設(shè)計(jì)功能和信號(hào)傳送質(zhì)量的要求的前提下,盡可能選用速率較低的元件。不用比功能要求或電路實(shí)際要求速率更高的元件,是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基本思路。在不降低工作頻率和信號(hào)傳輸質(zhì)量的條件下,降低時(shí)鐘脈沖信號(hào)的邊沿速率。,邏輯元件工作狀態(tài)的改變邏輯元件狀態(tài)改變時(shí)的瞬態(tài)涌流是射頻能量的主要來源。產(chǎn)生瞬態(tài)涌流的一個(gè)原因是元件輸出級(jí)的互補(bǔ)或推挽晶體管對(duì)的工作狀態(tài)變化需要時(shí)間,在元件輸出邏輯狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),晶體管對(duì)在瞬間會(huì)同時(shí)導(dǎo)通,造成電源短路,產(chǎn)生電壓瞬間跌落。,在PCB布線中產(chǎn)生干擾的機(jī)理:PCB中存在元件負(fù)載的分布電容和線路的對(duì)地電容,當(dāng)元件輸出電壓狀態(tài)改變時(shí),電源需要提供的電流遠(yuǎn)大于靜態(tài)電流。電流大小為,其中,C為負(fù)載分布電容與線路對(duì)地電容的總和。對(duì)于單層板,C為0.20.3pF/cm,多層板一般為0.12pF/cm。電壓的瞬間跌落和電流的瞬態(tài)浪涌不僅通過傳導(dǎo)干擾PCB的工作,而且是產(chǎn)生影響PCB工作性能的射頻能量的主要因素之一。,元件封裝與EMI元件封裝對(duì)PCB的EMI影響主要是由引線電感和引線間的電容產(chǎn)生的。電感包括各種IC元件和電容、電阻等無源元件的內(nèi)部引線電感,元件到PCB連線電感。電容指IC元件引線間的耦合電容。,元件封裝主要影響:管芯到基座的引線長(zhǎng)度元件電源引腳的位置管芯的環(huán)形面積元件安裝到PCB上的方式減小元件封裝對(duì)EMI影響的措施:用DIP封裝器件時(shí),盡量選電源引腳在兩側(cè)中間布置的器件。,這為去耦電容在PCB底層布置提供最佳的安裝位置和最短的引線,器件內(nèi)部電源引線也最短。,采用表貼技術(shù)(SMT)封裝的元件替代通孔安裝的元件,絕對(duì)不能在產(chǎn)品中使用插座來安裝元件。表貼元件引腳到PCB的連線最短,電源線與地(0V)線距離最短,射頻電流回路面積也最小。SMT比DIP封裝大小減小近40%,管芯與安裝底座間輻射環(huán)路長(zhǎng)度減小近64%,元件間連線長(zhǎng)度更短。,數(shù)字元件的零電位波動(dòng)及其影響零電位波動(dòng)是指元件內(nèi)部接地參考面與PCB地平面或地線間的電位波動(dòng),它不僅影響電路中元件的正常工作,也增加了PCB的輻射干擾。造成零電位波動(dòng)的基本原因:數(shù)字元件輸出端電平變化產(chǎn)生的瞬時(shí)浪涌電流通過連接PCB零伏平面(線)的引線電感時(shí)產(chǎn)生的電壓。,輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)只有一個(gè)FET的數(shù)字元件,當(dāng)輸出從高電平變成低電平時(shí),由于其輸出端對(duì)零伏平面(線)的分布電容以及負(fù)載輸入端的電容產(chǎn)生電流瞬時(shí)浪涌,通過FET及其與零伏平面(線)連接的引腳電感放電。輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)為推挽或互補(bǔ)FET對(duì)的器件在狀態(tài)變換瞬間同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的瞬時(shí)涌流通過接地電感。,減小PCB地電位波動(dòng)的主要措施:減小元件輸出端到負(fù)載的電容,增加電阻。使用電源和接地參考布置在芯片外引腳中間的芯片代替對(duì)角布置的芯片,正式產(chǎn)品最好使用SMT芯片代替PID芯片。在電路比較復(fù)雜的情況下,采用多層板布線。PCB布線設(shè)計(jì)時(shí),盡可能減小輸出信號(hào)線的電感,特別要注意減小芯片接電源和接地時(shí)的電感。選擇使用低電感芯片封裝的元件,例如同樣20引腳的芯片,采用標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝,引線長(zhǎng)度電感為3.413.7H,采用PLCC封裝,為3.56.3H。,2監(jiān)控器設(shè)計(jì)中提高PCB抗干擾的措施一般應(yīng)從布線和選擇數(shù)字電路芯片兩方面分別采取相應(yīng)的措施。1)PCB布線設(shè)計(jì)的抗干擾措施數(shù)字電路與模擬電路分開布置,盡可能分開供電。采用雙面基板時(shí),盡量加寬板上電源進(jìn)線與回線(零伏線)的線寬,減小傳導(dǎo)阻抗造成的各芯片電源間的電位差。,PCB的強(qiáng)電區(qū)域與弱電區(qū)域嚴(yán)格分離。除供電電源必須隔離外,應(yīng)保證強(qiáng)電走線與弱電走線間最小距離不小于0.8cm,以減少串音耦合的干擾。通信部分采用與中央控制模塊完全隔離的獨(dú)立電源供電。與數(shù)據(jù)線聯(lián)系密切的芯片盡可能集中布置,以減少總線的長(zhǎng)度。,減少平行走線的數(shù)量和長(zhǎng)度,并在板面允許的情況下盡量加大線寬和線間的距離,減少信號(hào)傳輸線的阻抗和寄生電容。PCB基板采用多層板。優(yōu)點(diǎn):工作電源的電源線和零伏線分別占用一層敷銅層,可減小電源線和零線的電阻、電感,抑制噪聲。電源線層和零伏線層間的電容較大,有良好的去耦通路,電源線上的干擾減小。,PCB上所有元件的電源引腳直接連接到電源線層和零線層,降低了由于電源公共阻抗導(dǎo)致的干擾。此外,采用多層板布線,還可提高抗浪涌能力。多層板布線要點(diǎn):不同層上的信號(hào)線走向應(yīng)當(dāng)垂直,減小平行走線引起的串?dāng)_。,電源線層和零伏線層應(yīng)占有多層基板中間的相鄰兩層,利用兩層銅箔間的耦合電容,提供去偶功能。信號(hào)線中的高速時(shí)鐘和高頻數(shù)字信號(hào)線應(yīng)布置在與零伏線層相鄰的信號(hào)線層,減小信號(hào)回路面積及由此引起的輻射干擾。數(shù)字IC電路,特別是采用CMOS工藝的數(shù)字IC電路,不使用的I/O引腳必須經(jīng)電阻接電源或零線(上拉或下拉)。,2)數(shù)字電路IC芯片的選擇數(shù)字IC內(nèi)部的晶體管或FET在其工作狀態(tài)變換過程中出現(xiàn)的瞬時(shí)涌流會(huì)產(chǎn)生射頻干擾,并引起零伏線的波動(dòng),影響PCB工作。在PCB設(shè)計(jì)中,正確選擇數(shù)字IC芯片是監(jiān)控器EMC設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。芯片的選擇主要考慮元件的封裝形式和邏輯變換時(shí)的信號(hào)跳變速度。,盡可能采用表貼封裝的IC元件,這種封裝的元件電源回路面積最小,管芯與安裝底座間輻射環(huán)路長(zhǎng)度小,元件間連線長(zhǎng)度短??蓽p小元件射頻輻射能量,通過傳導(dǎo)和輻射對(duì)元件的干擾也較小。使用雙列直插元件時(shí),盡量選用電源線和零伏線臨近布置的封裝形式,可減小電源回路包圍的面積。在產(chǎn)品中絕對(duì)不要通過插座來安裝元件。,在完成的功能和工作頻率相同的情況下,使用變化沿較緩慢的數(shù)字IC芯片,可抑制電路工作時(shí)的輻射干擾。提高PCB抗擾性的其他措施:對(duì)PCB的重要控制命令的出口電路,必須采用光電耦合器隔離,同時(shí)設(shè)置封鎖位,配合軟件中相應(yīng)的程序進(jìn)行二級(jí)控制。,3監(jiān)控器軟件的抗干擾措施軟件是監(jiān)控器完成各種功能的核心,包括全部程序和執(zhí)行程序需要的數(shù)據(jù)。1)軟件被干擾的原因存放程序代碼和數(shù)據(jù)的內(nèi)存單元,在電磁干擾下其內(nèi)容可能會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致程序工作紊亂,使智能電器不能正常工作。,(1)使用看門狗(Watchdog)監(jiān)視程序正常工作時(shí),程序定時(shí)使Watchdog定時(shí)器復(fù)位。程序因干擾偏離后,Watchdog不能按時(shí)復(fù)位而產(chǎn)生溢出,使處理器件復(fù)位,程序?qū)⒅匦麻_始執(zhí)行,恢復(fù)正常工作。為保證程序偏離前的主要信息不丟失,硬件中必須配置非易失性RAM,并在程序中把關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時(shí)拷貝到非易失性RAM中。,2)主要應(yīng)對(duì)措施:,(2)軟件陷阱和指令冗余指令冗余在長(zhǎng)、短調(diào)用,有條件和無條件的長(zhǎng)、短轉(zhuǎn)移等決定程序流向的指令前插入空操作指令,或在各程序模塊間無代碼的ROM空間設(shè)置單字節(jié)的空操作、重起動(dòng)等指令。軟件陷阱設(shè)計(jì)一個(gè)專門的出錯(cuò)處理程序模塊,在程序因干擾發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),把程序引導(dǎo)到出錯(cuò)處理程序。,(3)無擾動(dòng)的重恢復(fù)技術(shù)包括4方面的內(nèi)容:復(fù)位后的初始化分冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng),分別設(shè)置上電標(biāo)志。冷起動(dòng)指正常的上電復(fù)位起動(dòng),熱起動(dòng)是程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),由Watchdog或復(fù)位指令、出錯(cuò)

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