電磁兼容-瞬態(tài)

1、E EMMC C-7-7第七章 瞬態(tài)脈沖干擾的抑制瞬態(tài)脈沖干擾的抑制 江濱浩江濱浩E EMMC C-7-7瞬態(tài)干擾對(duì)設(shè)備的威脅電快速脈沖電快速脈沖浪涌靜電放電靜電放電電源端口信號(hào)端口浪涌靜電放電n 瞬態(tài)干擾：瞬態(tài)干擾：時(shí)間很短，頻譜寬，幅度大的電磁干擾。n 常見的瞬態(tài)干擾常見的瞬態(tài)干擾：電快速脈沖、浪涌、靜電放電E EMMC C-7-7 在電氣和機(jī)電設(shè)備中常見的一種瞬態(tài)干擾是由繼電器、馬達(dá)、變壓器等電感器件和開關(guān)動(dòng)作開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的。 一般這些器件構(gòu)成系統(tǒng)的一部分，因此干擾往往在 系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生。設(shè)計(jì)人員對(duì)此應(yīng)給予足夠的重視。電感性負(fù)載電感性負(fù)載E EMMC C-7-7感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾VL

2、VLt電源回路中的電流（電壓）I0VdcC特點(diǎn)：脈沖串特點(diǎn)：脈沖串E EMMC C-7-7n 根據(jù)楞次定律，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感上的電流不能突然消失，電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的反電動(dòng)勢(shì)，E = d / dt = -L ( di / dt )n 這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)向電感的寄生電容C反向充電。隨著充電電壓的升高，觸點(diǎn)上的電壓也升高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，將觸點(diǎn)擊穿，形成導(dǎo)電通路，電容C開始放電，電壓開始下降，當(dāng) 電壓降到維持觸點(diǎn)空氣導(dǎo)通的電壓以下時(shí)，通路斷開，又重復(fù)上面的過程。這種過程一直重復(fù)到由于觸點(diǎn)之間的距離增加，電容上的電壓不能擊穿觸點(diǎn)為止。n 當(dāng)電容不能通過擊穿觸點(diǎn)放電時(shí)，就通過電感回路放電，直到電感中的

3、能量耗盡為止。I0VdcCt電源回路中的電流（電壓）瞬態(tài)干擾產(chǎn)生的機(jī)理瞬態(tài)干擾產(chǎn)生的機(jī)理E EMMC C-7-7兩種觸點(diǎn)擊穿導(dǎo)通機(jī)理氣隙上的電壓擊穿電壓擊穿電壓維持電壓320V0.08mm 接觸點(diǎn)距離 輝光放電輝光放電 氣體電離氣體電離氣體電離氣體電離自持放電自持放電輝光放電輝光放電起輝電壓：起輝電壓：。維持電壓：維持電壓：維持電壓與觸點(diǎn)的距離無關(guān)，在空氣中大約為300V。需要一個(gè)最小電流，通常為幾個(gè) mA。E EMMC C-7-7陽極(+)陰極()電子流弧光放電弧光放電 金屬氣化金屬氣化金屬氣體橋弧光放電。維持電壓一般為1030V，維持電流一般為1A。當(dāng)電壓或電流不滿足這個(gè)條件時(shí)，弧光放電就

4、終止了。氣體金屬橋上的電流由電路電阻和電源電壓決定。擊穿電壓擊穿電壓維持電壓30V接觸點(diǎn)距離 E EMMC C-7-7隨著觸點(diǎn)的距離越來越遠(yuǎn)，擊穿觸點(diǎn)需要的電壓越來越高，因此電容上的電壓越來越高。隨著擊穿觸點(diǎn)需要的電壓越來越高，電容充電的時(shí)間越來越長(zhǎng)，因此震蕩波形的頻率越來越低。電容C每次擊穿觸點(diǎn)向電源回路反向放電時(shí)，會(huì)在電源回路上形成很大的脈沖電流，由于電源阻抗的存在，這些脈沖電流在電源兩端形成了脈沖電壓，從而對(duì)共用這個(gè)電源的其它電路造成影響。電源回路中的電流tI0VdcCE EMMC C-7-7靜電放電現(xiàn)象放電電流放電電流 I1ns100nsIt特點(diǎn)：頻率范圍寬特點(diǎn)：頻率范圍寬當(dāng)一個(gè)帶電物

5、體接近一個(gè)接地導(dǎo)體時(shí)，帶電物體上的電荷會(huì)通過接地導(dǎo)體泄放，這就是靜電放電現(xiàn)象。靜電放電產(chǎn)生電磁干擾的原因：放電電流具有很高的幅度和很短上升沿，根據(jù)傅立葉變換，上升沿為1ns的脈沖，帶寬達(dá)到300MHz。靜電的產(chǎn)生：接觸分離起電，摩擦起電E EMMC C-7-7ESD對(duì)電路工作影響的機(jī)理不良搭接孔縫電流找阻抗最小路徑靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng) 靜電放電耦合通路有：直接傳導(dǎo)、電容耦合、電感耦合等三種。 直接傳導(dǎo)，直接傳導(dǎo)， 電容耦合和電感耦合：電容耦合和電感耦合：金屬機(jī)箱或電纜上的靜電放電電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng) 通過寄生電容或電感耦合進(jìn)敏感電路。 靜電放電對(duì)設(shè)備造成的損害有三種：硬損壞、軟損壞和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。E

6、EMMC C-7-7說明：說明：在進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：較高的靜電電壓和較低的靜電電壓都比中等程度的靜電電壓產(chǎn)生的靜電放電更容易引起電路干擾。解釋如下：電壓較低時(shí)：電壓較低時(shí)：帶電體幾乎接觸上接地導(dǎo)體時(shí)才發(fā)生放電，放電是突發(fā)性的，上升沿很陡，幅度很大。因此干擾很厲害。電壓中等時(shí)：電壓中等時(shí)：帶電體接近接地導(dǎo)體時(shí)，兩者之間的電壓導(dǎo)致氣體電離，發(fā)生輝光放電，放電電流脈沖的上升沿較長(zhǎng)，所占頻帶較窄。電壓很高時(shí)：電壓很高時(shí)：雖然也會(huì)有輝光放電發(fā)生，但是會(huì)發(fā)生多次放電。在每個(gè)多次放電序列中，會(huì)有一個(gè)以上的低電壓放電，這會(huì)導(dǎo)致快速上升時(shí)間和高峰值電流，產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。E EMMC C-7-7

7、浪涌產(chǎn)生的原因一般小于一般小于75kA最大可達(dá)最大可達(dá)300kA導(dǎo)體周圍產(chǎn)導(dǎo)體周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)生強(qiáng)磁場(chǎng)I特點(diǎn)：能量大特點(diǎn)：能量大浪涌主要是由雷電在電纜上感應(yīng)產(chǎn)生的，功率很大的開關(guān)也能產(chǎn)生。浪涌的特點(diǎn)是能量很大，室內(nèi)的浪涌電壓幅度可達(dá)到6kV，室外會(huì)超過10kV。浪涌雖然不象EFT那么普遍，但是一旦發(fā)生危害是十分嚴(yán)重的，往往導(dǎo)致電路的損壞E EMMC C-7-7 直接雷、感應(yīng)雷E EMMC C-7-7瞬態(tài)干擾的頻譜A0.5A 2A 1/1/ tr時(shí)間時(shí)間頻率頻率瞬態(tài)類型瞬態(tài)類型 tr 1/ 1/ tr A 2A EFT 5ns 50ns 6. 4MHz 64MHz 4kV 0.4V/MHzESD

8、1ns 30ns 10MHz 320MHz 30A 1.8 A/MHz浪涌浪涌 1.2 s 50 s 6.3kHz 265kHz 4kV 0.4V/MHzE EMMC C-7-7瞬態(tài)干擾抑制原理瞬態(tài)干擾抑制原理低通濾波器：低通濾波器： 截止頻率小于截止頻率小于1 / 分壓法：分壓法：電電 阻阻電電 感感電電 容容分流法：分流法：壓敏電阻壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管氣體放電管電電 容電阻容電阻E EMMC C-7-7對(duì)策浪涌抑制器件浪涌抑制器件壓敏電阻壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管氣體放電管低通濾波器低通濾波器上策上策下策下策并并 用用浪涌注入端浪涌注入端被保護(hù)

9、電路被保護(hù)電路端端 抑制高頻 差模干擾E EMMC C-7-7電路結(jié)構(gòu)浪涌注入浪涌注入端端被保護(hù)電被保護(hù)電路端路端浪涌注入端浪涌注入端被保護(hù)電路被保護(hù)電路端端濾波器與瞬態(tài)抑制器共用濾波器的電路結(jié)構(gòu)RLRLRCL消除感性負(fù)載干擾E EMMC C-7-7低通濾波器對(duì)脈沖干擾的抑制低通濾波器對(duì)脈沖干擾的抑制AfILf+fCOfCOAf輸入脈沖頻譜濾波器特性輸出脈沖頻譜輸出脈沖頻譜2VIPd2VIPd相當(dāng)于脈沖的上升時(shí)間和相當(dāng)于脈沖的上升時(shí)間和脈寬變大，而幅度沒有減脈寬變大，而幅度沒有減小。小。E EMMC C-7-7Fco 1 / Parseval 定律：時(shí)域中的能量等于頻域中的能量：定律：時(shí)域中的

10、能量等于頻域中的能量： 00V2(f)df =V2(t)dt fco00(2VIN )2df =V 2OUT dt out= 1 / fco(2VIN )2 fco =V 2OUT / fco V out / V in =2 fco outfco out Vout 和 Vin 分別為輸出和輸入濾波器的脈沖峰值E EMMC C-7-7CS106對(duì)濾波器的要求若：若： fCO = 0.01則：則：VOUT / VIN 0.04因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篤OUT / VIN = 2 fco = 3.54 fco 400V 16V200V 8V100V 4V = 10 s fco =1kHz = 5 s fco =

11、2kHz = 0.15 s fco =66kHzE EMMC C-7-7低通濾波器對(duì)瞬態(tài)干擾的抑制低通濾波器對(duì)瞬態(tài)干擾的抑制VOUT / VIN-10-20-30-40 fCO1/20.10.010.0010VOUT / VIN = 2 fco E EMMC C-7-7低通濾波器抑制脈沖的效果低通濾波器抑制脈沖的效果低通濾波器低通濾波器 可見，脈沖越窄，抑制效果越好。E EMMC C-7-7消除感性負(fù)載干擾RCLRLRLE EMMC C-7-7阻尼電路參數(shù)確定R:越大，開關(guān)閉合越大，開關(guān)閉合時(shí)限流作用越好時(shí)限流作用越好越小，開關(guān)斷開越小，開關(guān)斷開時(shí)反充電壓越小時(shí)反充電壓越小V / Ia R R

12、L折衷折衷C:由于沒有弧光，由于沒有弧光，L中的能量全部進(jìn)入中的能量全部進(jìn)入C，VC = I (L/C)1/2為了防止發(fā)生輝光，為了防止發(fā)生輝光，VC ( I / 300 ) 2 L為了防止發(fā)生弧光，電容充電速率要小于為了防止發(fā)生弧光，電容充電速率要小于1V/ s，C 10- 6 IE EMMC C-7-7瞬態(tài)干擾抑制器件瞬態(tài)干擾抑制器件瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)干擾瞬態(tài)干擾氣體放電管氣體放電管壓敏電阻壓敏電阻VIVIVIn 基于氣體放電機(jī)理的氣體放電管。n 基于非線性電阻特性的壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。u 共同特點(diǎn)是，當(dāng)器件上的電壓超過一定值時(shí)，器件的電阻變當(dāng)器件上的電壓超過一定值時(shí)，

13、器件的電阻變 得很低，從而將干擾能量泄放掉得很低，從而將干擾能量泄放掉E EMMC C-7-7瞬態(tài)干擾抑制器件瞬態(tài)干擾抑制器件 1000浪涌電壓浪涌電壓壓敏電阻壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管氣體放電管220500鉗位電壓較高鉗位電壓較高電流容量不大電流容量不大有殘留尖峰有殘留尖峰和跟隨電流和跟隨電流瞬態(tài)瞬態(tài)注入注入端端被保護(hù)電被保護(hù)電路端路端E EMMC C-7-7n 壓敏電阻：壓敏電阻： 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 峰值電流承受能力較大，價(jià)格低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：鉗位電壓較高，隨著受到浪涌沖擊的次數(shù)增加，漏電增加，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。n 瞬態(tài)抑制二極管（瞬態(tài)抑制二極管（TVS）：）： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：

14、響應(yīng)時(shí)間短，鉗位電壓低（相對(duì)于工作電壓）。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：承受峰值電流較小。n 氣體放電管：氣體放電管： 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 承受電流大，。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，由于導(dǎo)通維持電壓很低，因此會(huì)有跟隨電流，不能在 直流環(huán)境中使用（放電管不能斷），有殘留尖峰。說明：說明：浪涌抑制器件的失效模式一般為短路。這個(gè)特點(diǎn)一方面為電路保護(hù)提供了安全保障，不會(huì)發(fā)生器件失效。同時(shí)，也有可能造成電路工作的中斷。E EMMC C-7-7氣體放電管殘留尖峰殘留尖峰時(shí)間時(shí)間電壓電壓跟隨電流跟隨電流通常與瞬態(tài)二級(jí)管通常與瞬態(tài)二級(jí)管串聯(lián)合用：有串聯(lián)合用：有 沒有跟隨電流沒有跟隨電流 沒有漏電流沒有漏電流 鉗位電壓低鉗位電壓低E

15、EMMC C-7-7作用在開關(guān)電源上的浪涌開關(guān)電源等效電路開關(guān)電源等效電路6kV, 3kA1.2 50 s浪涌波形浪涌波形0 20 40 60 80 100 s0426kV0321kA浪涌電壓浪涌電壓電源上電壓電源上電壓流進(jìn)電源的電流流進(jìn)電源的電流E EMMC C-7-7浪涌抑制器件的保護(hù)作用開關(guān)電源等效電路6kV, 3kA1.2 50 s浪涌波形浪涌波形0 20 40 60 80 100 s0426kV0321kA浪涌電壓浪涌電壓抑制后的電壓抑制后的電壓流進(jìn)電源的電流流進(jìn)電源的電流流進(jìn)抑制器的電流流進(jìn)抑制器的電流大部分電流大部分電流流進(jìn)了電源流進(jìn)了電源E EMMC C-7-7TVS增容問題RR 1M1M不行不行可以可以最好最好E EMMC C-7-7地線反彈與對(duì)策地線反彈與對(duì)策若電流為若電流為5kA，地線阻抗為，地線阻抗為0.5 ，則反彈電壓達(dá)到，則反彈電壓達(dá)到2500V ! 較高的浪涌電壓依然加在設(shè)備與地線上。較高的浪涌電壓依然加在設(shè)備與地線上。 再并聯(lián)一個(gè)抑制器VGVZ + VGVZ設(shè)備VGVZ設(shè)備E EMMC C-7-7靜電放電現(xiàn)象放電電流 I1ns100nsIt 5 10 151234電場(chǎng) kV/m磁場(chǎng) A/m51015時(shí)間 ns10 cm20 cm50 cmE EMMC C-7-7ESD對(duì)電路工作影響的機(jī)理不良搭接孔縫電流找阻抗最小