影響固態(tài)繼電器電磁兼容EMC的主要因素分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】影響固態(tài)繼電器電磁兼容EMC的主要因素分析電磁兼容（EMC）在電子產(chǎn)品中是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。本文介紹影響固態(tài)繼電器（SSR）EMC的主要因素、試驗(yàn)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，提出了測(cè)試時(shí)注意事項(xiàng)和給出了一組具有實(shí)用價(jià)值的結(jié)果。

1引言

影響固態(tài)繼電器（SSR）電磁兼容（EMC）的因素是多方面的，諸如器件的選擇與搭配、電路原理、PCB的布線和構(gòu)造等等。其中，交流光耦（光電耦合器）對(duì)EMC參數(shù)的影響常常被忽略。其主要原因是對(duì)它們的應(yīng)用環(huán)境和要求了解較少，同時(shí)對(duì)EMC的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的使用和試驗(yàn)方法理解不夠。因此當(dāng)使用性能較差的器件和不合理的構(gòu)造時(shí)，固態(tài)繼電器的EMC性能往往達(dá)不到國際上的一些標(biāo)準(zhǔn)（如CE等）

2固態(tài)繼電器的EMC標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容包含電磁輻射（Emission）和電磁抗干擾（Immunity）。對(duì)器件來說，歐洲客戶不要求做電磁測(cè)試（個(gè)別有特殊要求的客戶除外），通常只要求按EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)即1995VEN61000-6-2開展測(cè)試。但主要是測(cè)試ESD（EN61000-4-2）;EFT/B（EN61000-4-4）和SURGE（EN61000-4-5）。在此要說明的是，如果客戶要求測(cè)試電磁輻射時(shí)，應(yīng)按EN50081-2標(biāo)準(zhǔn)即20**VEN61000-6-4開展測(cè)試。本文只對(duì)SSR的電磁抗干擾能力開展測(cè)試和歸納。我們?cè)诙嗄昱c歐洲客戶交流中，他們提出多的有如下要求：

（1）要求EMC做通用標(biāo)準(zhǔn)的電磁抗干擾能力的測(cè)試，即上述的ESD、EFT/B和Surge。其電壓等級(jí)分別為4kV的接觸放電和8kV的空氣放電、1kV/5kHz快速群脈沖擾動(dòng)和2kV浪涌沖擊，其它不做要求;

（2）要求EMC做通用標(biāo)準(zhǔn)的電磁抗干擾能力到達(dá)等級(jí)3的測(cè)試，即ESD和Surge同上，而EFT/B要求到達(dá)3kV/5kHz;

（3）特殊要求：ESD要求6kV/10kV和EFT/B為4kV

（4）其他要求：除電磁抗干擾（Immunity）外，還要求電磁輻射（Emission）測(cè)試。

3、影響固態(tài)繼電器EMC的主要因素

為了找出影響固態(tài)繼電器EMC的主要因素和組合的器件，必須了解組成SSR的電路原理。我們綜合了國內(nèi)外SSR方面的主要生產(chǎn)商的電路，得到如下幾種常見的采用交流光耦方案的電路構(gòu)造。把這些不同的電路構(gòu)造和相同的電路構(gòu)造而采用不同的器件組合來開展測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同的EMC性能。

3.1電路原理

圖1、圖2和圖3三種電路都能實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的功能。圖1是固態(tài)繼電器簡單的電路原理圖，圖中A1是交流光耦，A2是雙向可控硅。常用在小型的SSR，使用時(shí)，用戶往往在外面增加器件來改善性能。圖2是在圖1的根底上增加了RC吸收電路和防沖擊電阻R2。R2是保護(hù)光耦，抑制在導(dǎo)通瞬間流過光耦的沖擊電流。附加這些器件后，大大改善了SSR的EMC特性和浪涌對(duì)光耦的沖擊性能。因此該電路常用在可靠性較高的場合。圖3是一種特殊的電路，常用在高可靠性和EMC等級(jí)較高的SSR設(shè)計(jì)中。圖中的二極管D1可防止輸入反極性。由Q1、Q2、R1及R3組成恒流電路，保證當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，光耦A(yù)1的電流恒定。RC電路C1、R7和R6的功能與圖2的相同。該電路還增加了壓敏電阻RV。RV不僅加強(qiáng)了SSR的過壓保護(hù)能力，而且大大改善了其EMC性能。

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按上述三種不同的電路和不同的構(gòu)造開展如下試驗(yàn)：

3.2試驗(yàn)

采用不同的樣品（見下）開展以下兩種試驗(yàn)：群脈沖試驗(yàn)（見表1）和浪涌試驗(yàn)（見表2）。

試驗(yàn)條件為如下：

A.輸入電壓：0V或標(biāo)稱值。負(fù)載：40W燈泡；

B.《2kV時(shí)，Burst測(cè)試頻率：5kHz;》2kV時(shí)，Burst測(cè)試頻率：2.5kHz。

C.樣品：N0.1、N0.2和N0.3的構(gòu)造不相同，PCB相同；N0.4和N0.5的光耦不相同，其它相同。（見表1中的“產(chǎn)品／元件型號(hào)”）

D.測(cè)試結(jié)果見表1。

a.表中“1”表示通過，“0”表示不通過。判定標(biāo)準(zhǔn)：“1”：燈泡不閃；“0”：：燈泡閃爍。

b.表中L：火線；N：零線。

試驗(yàn)不難看出：

（1）比照A公司產(chǎn)品兩個(gè)繼電器，其電路構(gòu)造、元器件參數(shù)完全相同，僅僅前者多了一個(gè)散熱片，但其burst測(cè)試只能到達(dá)2kV，而第2個(gè)的burst測(cè)試可以到達(dá)4kV。由此可知，產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造的變化會(huì)影響到EMC性能;

（2）RC會(huì)很大程度的影響固體繼電器的EMC性能;不加RC電路的構(gòu)造，EMC性能差，見B公司產(chǎn)品;

（3）采用不同的光耦，其EMC性能會(huì)有很大的變化，見N0.4與N0.5的試驗(yàn)結(jié)果;

（4）不同的光耦和不同的可控硅組合對(duì)EMC性能也有較大影響;

（5）選擇適當(dāng)?shù)腞C組合，也可提高Burst和Surge抗擾能力。當(dāng)RC中C值一定時(shí)，固態(tài)繼電器對(duì)Burst的抗擾能力與R值成反相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)R小到一定的值時(shí)，這種關(guān)系就不再明顯;

（6）增加RV壓敏電阻可大大增強(qiáng)Surge的抗擾能力。

4測(cè)試方法及注意事項(xiàng)

為了正確獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須按要求正確設(shè)計(jì)測(cè)試回路，和正確的連線。然后設(shè)定方法和步驟，按判定標(biāo)準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)。

4.1測(cè)試電路

圖4所示為測(cè)試電路。對(duì)SSR來說，有信號(hào)源（穩(wěn)壓電源）、小于1米的連線、負(fù)載及有關(guān)儀器;圖5為電源信號(hào)疊加干擾信號(hào)的波形。

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4.2試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求及判定要求

表3為EMC的抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN61000-4-4、EN61000-4-5和EN61000-4-2的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求。對(duì)SSR來說，其工作狀態(tài)要求樣品處于正常關(guān)斷和接通狀態(tài)參加干擾源，觀察樣品是否失效。

5試驗(yàn)結(jié)論

（1）產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造的變化直接影響到EMC性能。如：PCB或DCB的排版設(shè)計(jì)，通常需要通過幾次調(diào)整，如改變輸入輸出之間的走線位置、元件的擺放位置等，才能到達(dá)狀態(tài)；

（2）所有測(cè)試的光耦中，VISHAY光耦的性能比較突出，其多數(shù)光耦的Burst測(cè)試可以到達(dá)4kV。其它廠家的光耦較少能到達(dá)4kV（關(guān)于這一點(diǎn)，主要取決于光耦內(nèi)部的構(gòu)造）；

（3）壓敏電阻RV對(duì)Burst性能影響不明顯，而對(duì)Surge性能影響極大;因此在有較大浪涌電壓沖擊的場合，應(yīng)加上RV。RV的大小要視可控硅的阻斷電壓高低來決定；

（4）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在耐電脈沖群沖擊方面，光耦對(duì)繼電器的影響較大（見結(jié)論的第2點(diǎn)），不同的光耦其耐沖擊性能不一樣;而在耐Surge時(shí)，可控硅對(duì)繼電器的影響（較差的可控硅如dv/dt太低等，將被擊穿）；

（5）對(duì)于不同的組合，將有不同的EMC能力。如果用EMC較好的光耦配較差的可控硅，將造成較差的EMC抗擾能力。反之可得出同樣結(jié)果；

（6）不帶RC時(shí)，絕大多數(shù)的光耦的抵抗群脈沖的能力都低于500V;基本上無法到達(dá)CE的標(biāo)準(zhǔn)。為此，設(shè)計(jì)人員必須改變電路構(gòu)造和元件參數(shù)，方可滿足客戶的要求和CE標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用證明，電容C的介質(zhì)損耗角和其溫度特性對(duì)吸收電路影響較大。電阻R除它的功率和熱穩(wěn)定參數(shù)外，它的阻值對(duì)EMC的性能影響也較大。通常C選用10—22nf，而R通常用10—100歐姆；

（7）光耦阻斷電壓的高低與它的抵抗群脈沖的能力的強(qiáng)弱沒有必然的聯(lián)系。但可控硅阻斷電壓的高低與抵抗浪涌電壓的能力的強(qiáng)弱有較大關(guān)系。

6存在的問題

由于光耦耐脈沖沖擊的電性能不一，SSR繼電器接入電機(jī)正反轉(zhuǎn)線路，