電磁兼容性（EMC）保護(hù)措施

1、電磁兼容性（EMC）保護(hù)措施    摘要：理想的電子產(chǎn)品應(yīng)該能夠抵御任何外部的電磁干擾。采取線性濾波、合理的線路板布局、正確的電源設(shè)計(jì)和屏蔽措施可以有效地減少有源干擾。電磁干擾主要來(lái)自電源或由容性、磁性、電磁元件通過(guò)空氣輻射傳播，本文主要討論如何保護(hù)設(shè)備不因外界有害電壓或電流的沖擊而損壞。 有關(guān)部門很早就認(rèn)識(shí)到EMC保護(hù)的重要性，并制定了相應(yīng)的設(shè)備兼容性標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC1000-4標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，其中包括： IEC1000-4-2靜電放電(ESD)測(cè)試方法， IE   摘要：理想的電子產(chǎn)品應(yīng)該能夠抵御任何外部的電磁干擾。采取

2、線性濾波、合理的線路板布局、正確的電源設(shè)計(jì)和屏蔽措施可以有效地減少有源干擾。電磁干擾主要來(lái)自電源或由容性、磁性、電磁元件通過(guò)空氣輻射傳播，本文主要討論如何保護(hù)設(shè)備不因外界有害電壓或電流的沖擊而損壞。    有關(guān)部門很早就認(rèn)識(shí)到EMC保護(hù)的重要性，并制定了相應(yīng)的設(shè)備兼容性標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC1000-4標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，其中包括： IEC1000-4-2靜電放電(ESD)測(cè)試方法， IEC1000-4-4快速瞬變(FTB)測(cè)試方法和IEC1000-4-5高能量瞬態(tài)響應(yīng)(浪涌)測(cè)試方法，所有的測(cè)試方法都以電噪聲的實(shí)際模型為準(zhǔn)則。一、EMC保護(hù)電路  &#

3、160; 隔離    因?yàn)樾盘?hào)電路無(wú)法承受千伏級(jí)電壓，這種干擾必須排除在輸入電路之前，可以將其轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)、然后轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉。地回路電流可以進(jìn)入接口并流過(guò)整個(gè)電路，一般需要電流隔離。在連接線較長(zhǎng)或地回路電流較大的工業(yè)系統(tǒng)中，隔離是一種行之有效的辦法。    一個(gè)峰值為30A的ESD脈沖在地線上會(huì)產(chǎn)生幾十豪伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時(shí)間（30A/ns）可以在同樣的線路上（假設(shè)線電感為1nH/cm）產(chǎn)生高達(dá)幾百伏的感應(yīng)電壓，足以導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如此高的頻率將產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使線電阻顯著增加。為了抵消這種效應(yīng)，需要采用大面積接地

4、以獲得低阻特性。    快速上升脈沖將產(chǎn)生FTB和ESD干擾，通過(guò)電容耦合到低噪聲區(qū)域。在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，經(jīng)常有人錯(cuò)誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來(lái)提供一個(gè)隔離的電源，這種方法只能導(dǎo)致干擾進(jìn)一步擴(kuò)散，使整個(gè)電路受到影響。    一種低成本的解決方案是采用MAX253驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成前向電壓轉(zhuǎn)換器，提供隔離電壓。MAX253具有小的封裝，可提供有效的噪聲屏障。微型變壓器要求耦合電容低于10pF、功率1W、隔離電壓為1kV（見圖1）。    氣體放電管    一種充滿氖氣的蝶形電容

5、器。電壓超過(guò)100V時(shí)產(chǎn)生一個(gè)等離子區(qū)能夠限制最高電壓，它可以承受較大的電流，具有較小的漏電流。氣體放電管可吸收高壓瞬態(tài)脈沖，但是，由于生成等離子區(qū)需要一定的時(shí)間，它不能吸收快速瞬變脈沖，不能用作主要保護(hù)手段。    壓敏電阻器    一種由金屬氧化物（主要為鋅）制成的保護(hù)器件。它的功能近似于齊納二極管，響應(yīng)速度比氣體放電管快，但漏電流比較高，尤其是在信號(hào)接近于鉗位電壓時(shí)。    Transzorb二極管    用于限制低壓信號(hào)的快速瞬變，其功率耗散能力受其尺寸的制約。同壓敏

6、電阻類似，在接近擊穿電壓時(shí)有較大的漏電流。節(jié)點(diǎn)電容較大，在快速瞬變系統(tǒng)中用二極管橋退耦。    ESD結(jié)構(gòu)    一種新穎的設(shè)計(jì)方案，它將雙向二極管集成在MAX202E，MAX485E和其他RS-232/RS-485收發(fā)器芯片中（新推出的模擬開關(guān)，如MAX4558，也集成類似功能）。它們具有低電容和低漏電流特性，適合于ESD和FTB保護(hù)。    扼流圈、鐵氧體    能衰減高頻和快變電壓峰值，但不能吸收額外能量。為避免諧振，總是和電容衰減器一同使用（類似于T型結(jié)構(gòu)的LC濾波器

7、），這些器件經(jīng)常用來(lái)抑制共模干擾并作為主要濾波器件。    電容器    是重要的保護(hù)元件之一，具體應(yīng)用中需要考慮的參數(shù)包括：等效串聯(lián)電阻(ESR)、磁感應(yīng)系數(shù)、額定電流和額定電壓。    串聯(lián)電阻    是重要且廉價(jià)的保護(hù)器件之一，適當(dāng)?shù)剡x定電阻值和功率耗散值，可以替代許多昂貴的保護(hù)器件。二、EMC保護(hù)電路的應(yīng)用   熱電偶    為避免由于地環(huán)路電流的影響造成信號(hào)失真，多數(shù)熱電偶應(yīng)用中在信號(hào)采集和信號(hào)處理之間提供

8、電流隔離。如圖2，差分信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，ADC的數(shù)字輸出信號(hào)通過(guò)光或磁耦合器傳輸。    熱電偶每個(gè)電極采用一個(gè)簡(jiǎn)單的低通RC網(wǎng)絡(luò)（2k & 100nF）提供保護(hù)，另外，在電路公共端和設(shè)備機(jī)柜接地端之間還需接入一個(gè)具有高額定電壓的1nF電容，該電容器將ESD干擾旁路到地，維持直流電流的隔離。它同時(shí)組成一個(gè)電容分壓器，降低隔離電源的峰值電壓。為進(jìn)一步限制峰值電壓，可以將一個(gè)壓敏電阻和該電容并聯(lián)。圖中2k電阻必須能夠承受高壓（8kV ESD），在FTB和浪涌測(cè)試中能夠耗散相當(dāng)大的功率。但是

9、，由于漏電流在流過(guò)該保護(hù)串聯(lián)電阻時(shí)將引起靜態(tài)信號(hào)誤差，需考慮多路復(fù)用器、緩沖放大器等產(chǎn)生的漏電流。    MAX4052A多路復(fù)用器引腳兼容于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件4052，在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)保證最大漏電流不超過(guò)5nA，25時(shí)漏電流典型值為2pA，可能產(chǎn)生的最大誤差只有2V。這個(gè)誤差是大多數(shù)熱電偶允許接受的。如果采用儀表放大器做信號(hào)緩沖（使用MAX4524四運(yùn)算放大器），將使泄漏電流在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)降低到100pA，25時(shí)典型值為1pA。另外，極低的輸入失調(diào)電壓溫漂系數(shù)（只有0.3V/）使該緩沖器非常適合于高阻抗、小幅值信號(hào)源。    另外一個(gè)可

10、替代方案是采用MAX1402單片信號(hào)采集器，該芯片內(nèi)部包括- A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖放大器、多路復(fù)用器以及供傳感器激勵(lì)用的電流源，具有非常低的輸入漏電流，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。    角度編碼器    角度編碼器可以用來(lái)測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，精密的定位系統(tǒng)采用雙通道、正交差分正弦信號(hào)作為高精度轉(zhuǎn)子的位置指針，這樣的系統(tǒng)經(jīng)常需要采用RS-485/422串行總線來(lái)設(shè)置編碼器初始化參數(shù)，有時(shí)這些傳輸線需在遠(yuǎn)距離傳送幾kHz的模擬信號(hào)或速率為幾Mbit/s的數(shù)字信號(hào)（見圖3）。這種情況下無(wú)法采用大阻值串聯(lián)電阻或無(wú)源阻容網(wǎng)絡(luò)作為保護(hù)電路，圖中，終端電阻

11、（通常為120ohm）用來(lái)防止信號(hào)反射。該系統(tǒng)中首先需要提供ESD和FTB干擾保護(hù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)器（圖4）中，差分發(fā)送器輸出電壓由Transzorb二極管限制，接收器也帶有同樣的保護(hù)。為滿足發(fā)送器與接收器共模電壓指標(biāo)的非對(duì)稱性（EIA-422A:-7V至+12V）,需采用不對(duì)稱的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送器和接收器輸入端具有相同的共模范圍，可以采用同一個(gè)Transzorb二極管。也可以采用MAX490E RS-422收發(fā)器取代整個(gè)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，它集成有ESD和FTB保護(hù)電路。實(shí)際應(yīng)用中，收發(fā)器的地必須盡可能短距離的和機(jī)殼/大地相連接，如果采用屏蔽線，屏蔽層也需要短距離與此點(diǎn)相連。當(dāng)兩個(gè)分立的接地點(diǎn)之間具有較

12、大的交換電流時(shí)，可在屏蔽層和大地之間串聯(lián)一個(gè)100 的電阻，最好加上一個(gè)具有低ESR值的旁路電容。    如果系統(tǒng)需要浪涌保護(hù)，則采用外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)可取的方法是在線路終端串聯(lián)限流電阻。這在接收端很容易實(shí)現(xiàn)，它只會(huì)產(chǎn)生微小的信號(hào)跌落。在發(fā)送端則需確認(rèn)大約10的串聯(lián)電阻是否可以接受，因?yàn)镸AX490E的差分輸出阻抗大約為40。實(shí)用電路中一般還在數(shù)據(jù)線上串接PTC保險(xiǎn)絲（圖4）。    標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口    信號(hào)傳輸模式的選擇取決于系統(tǒng)的信號(hào)源和信號(hào)傳輸距離，對(duì)于寬帶、遠(yuǎn)距離傳輸，經(jīng)常需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平：0V至10V、-10V至+10V、4mA至20mA，或采用差分模擬信號(hào)，有些系統(tǒng)則通過(guò)有線、光纖、無(wú)線等方式傳送數(shù)字信號(hào)，任何情況下，都需要將傳感器盡量靠近信號(hào)源安裝，以減小噪聲影響。    一個(gè)±10V的接口，在電機(jī)控制應(yīng)用中經(jīng)常用來(lái)設(shè)置