監(jiān)控用電力儀表的電磁兼容設計

1、監(jiān)控用電力儀表的電磁兼容設計 1前言 電力行業(yè)常用的監(jiān)控儀表與傳統(tǒng)的電參量變送器相比，逐步向智能化、集成化、多功能化方向進展，并且在電磁兼容性能上也有很高的要求(ems和emi實驗均有相關(guān)要求)。設計者如何挑選適當?shù)脑O計計劃，對產(chǎn)品設計的成敗起到打算性作用。本文就如何舉行電力監(jiān)控儀表的電磁兼容設計舉行了綜合闡述。2標準解讀2.1判定標準結(jié)合重工業(yè)產(chǎn)品通用標準，電力監(jiān)控用電力儀表需要滿足的ems、emi項目及評判等級見圖1. 2.2標準解讀干擾通常分為持續(xù)干擾和瞬態(tài)干擾兩類。如廣播電臺、手機信號、步話機等屬于持續(xù)干擾。因為開關(guān)切換，電機制動等造成電網(wǎng)的波動，此類干擾我們稱為瞬態(tài)干擾。圖1中瞬態(tài)干

2、擾包含：浪涌surge，靜電esd，電迅速脈沖群eft/b，暫降、短時中斷和電壓變幻dips;持續(xù)干擾包含：傳導敏感度cs，輻射敏感度rs.評判等級a所述的“性能不降低”，即干擾施加后，硬件無傷害，干擾施加過程中無死機、復位、數(shù)據(jù)掉幀或誤碼率較高等問題，好似無干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續(xù)性的干擾的評判等級均采納此評判等級。瞬態(tài)干擾為偶然性發(fā)生，且引起的電網(wǎng)干擾時光不長，故臨時性能降低，也就是評判等級b. 2.3 ems實驗項目及干擾實質(zhì)分析(1)浪涌surge：波形1.2/50s、8/20s，是一種脈沖寬度為幾十個s的脈沖，是一種傳導性干擾，因其脈沖攜帶較強能量，故需要對全部功能端口做相應程度

3、的防護，否則會引起內(nèi)部元件的永遠性硬損傷。(2)靜電emd：波形升高沿為0.7-1ns，是一種脈沖寬度為幾十個ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數(shù)千至上萬伏，故脈沖也具有一定的能量，須在端口做防護。因為其升高沿很陡，故其攜帶的高頻諧波很豐盛，可達500mhz，所以靜電在儀表全部暴露的金屬部件(包含端子，螺釘?shù)?舉行接觸放電或孔縫(包含指示燈的開孔，各種散熱和觀看孔)時，或分離對水平耦合板和垂直耦合板間接放電時，均會在放電點瞬時形成一個高頻電場，通過空間對電路舉行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設計時應注重端口庇護和空間高頻輻射場兩方面內(nèi)容。(3)電迅速脈沖群eft/b：波形升高沿為5ns，波形

4、為數(shù)個周期脈沖串的組合，能量很低。干擾的性質(zhì)和靜電一樣是共模，干擾路徑既包括傳導也包含輻射。(4)傳導敏感度cs：共模干擾，干擾頻段從150khz到80mhz.在舉行項目實驗時，其干擾信號源至儀表的線纜長度與干擾頻段(30mhz)對應的波長的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調(diào)制頻率超過30mhz時，因趨膚效應，干擾信號主要以空間輻射方式浮現(xiàn)(低于30mhz時，主要還是以傳導方式干擾)。(5)輻射敏感度rs：共模干擾，干擾頻段從80mhz到1ghz.需注重，外拖的線纜充當接收天線，干擾為電磁場的遠場。2.4 emi實驗項目及干擾實質(zhì)分析emi實驗包含傳導放射ce和輻射放射re.ce考察的頻段為15

5、0khz30mhz，re考察的頻段為mhz1ghz，通常按a類設備要求。對電力儀表而言，主要考察其內(nèi)部電源(通常為)、晶振(包括有源晶振和無源晶振)等主要騷擾源通過天線(由外拖線纜充當)形成的傳導和輻射，在設計時應特殊注重對上述騷擾源的處理。3電磁兼容設計辦法3.1電磁兼容設計的基本思路浮現(xiàn)emc問題，必需有干擾源，耦合路徑及敏感設備三要素，缺少任何一個環(huán)節(jié)，均不能構(gòu)成emc問題。因此，針對emc問題，其設計就是針對三要素中的一個或幾個實行技術(shù)措施，限制或消退其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類?！岸隆本褪峭ㄟ^增強共模，采納光耦等隔離或線纜套磁環(huán)等方式增強共模阻抗z：“疏”就是通過形成高頻

6、通路，將共模干擾引入阻抗更低的地(pe)或金屬殼。一個emc設計往往可以通過既“堵”又“疏”的方式，在成本增強不大的狀況下，可獲得較好的emc性能。3.2 emc解決手段屏蔽、接地和濾波是emc解決的三種手段。在下文中將具體解釋。4原理圖級設計在確定儀表需要滿足的電磁兼容項目及實驗等級后，在原理圖設計時就有須要對相關(guān)實驗項目舉行設計，最大程度降低電磁兼容風險和節(jié)約項目開發(fā)時光。4.1端口設計儀表的端口包括電源端口及信號端口，在emc測試項目中針對端口的實驗包括浪涌surge，靜電esd，電迅速脈沖群eft/b，傳導敏感度cs，傳導放射ce，電壓暫降、短時中斷和電壓變幻dips.因此在設計中應遵

7、循先舉行浪涌防護后舉行隔離/共模濾波的挨次舉行。(1)浪涌防護設計按照儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌兩種。如信號端口(也包含工作電源端口)的進線和回線間為差模浪涌，電路的進線和回線分離對地(接地端子)為共模浪涌。抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件，如氣體防電管、壓敏、tvs.不同的端口按照其功能，選用不同的組合計劃舉行浪涌的防護。例如，當儀表是三相四線輸入，由于電壓端口為高阻輸入，在浪涌等級要求不太高時，普通無須采納壓敏電阻和藹體放電管。(2)共模濾波器的設計通過在端口附近設計共模濾波器，對共模干擾舉行旁路。濾除共模干擾也可實行設計隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過電容接地(假如

8、端口設計有接地端子，應滿足相應平安要求)的方式來實現(xiàn)。設計共模濾波器，首先應明確共模干擾的頻段，以便挑選合適的、電容參數(shù)。若需要同時抑制低、中、高頻的共模干擾，有時可采納低頻和高頻共模濾波器串聯(lián)的方式來解決。儀表電源端口往往采納開關(guān)電源，因為開關(guān)電源是一個重要的對外干擾源，需要在端口設計emi濾波器。另外，從ems角度考慮，因為隔離的輸入輸出間存在較大的分布電容，高頻共模干擾可以毫無衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開關(guān)電源前設計濾波器。電源端口基本濾波電路結(jié)構(gòu)見圖2.當無pe時，共模電容省略。共模扼流圈在繞制中會產(chǎn)生1%左右的漏感，可挺直利用來舉行差模濾波，若要加強差模濾波，則可在扼流圈后

9、增強差模電感設計。需要強調(diào)的是，圖2所示濾波器在舉行布板時，應盡量擺放在逼近于端口的位置，且印制線走線應注重控制環(huán)路面積，讓濾波器獲得最大的插入損耗。4.2敏感電路及器件設計在設計中需要注重對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設計。盡量采納抗擾度高的器件，在功能滿足的狀況下，盡量降低晶振的頻率，盡量挑選升高沿較緩的器件。電容、電感非抱負器件的寄生參數(shù)，在高頻時將會大大影響其濾波效果，所以對不同頻段的干擾信號應挑選不同的濾波參數(shù)。以電容為例，其頻率阻抗曲線見圖3.這里需要強調(diào)的是，該類器件的引線過長時，其高頻下寄生參數(shù)會降低自身的諧振頻率，建議盡量采納貼片器件。一個常用的做法是挑選參數(shù)相差10

10、0倍的電容舉行并聯(lián)，以保證在其較寬的頻段范圍內(nèi)始終保持電容特性。數(shù)字芯片均應做去耦設計，特殊是攜帶豐盛高次諧波的數(shù)字電源引腳，通常用0.1uf電容與1nf電容并聯(lián)。對于數(shù)字芯片中因結(jié)構(gòu)、傳輸路徑等客觀因素影響的關(guān)鍵信號均應做去耦設計，去耦時應注重不要影響信號的正常傳輸。對于特殊敏感的電路單元，在成本允許和結(jié)構(gòu)設計時應充分考慮，針對輻射實驗項目(rs和re)屏蔽材料挑選鋁或銅等金屬，設計時為保證足夠的屏蔽效能應保證低接地阻抗，在此不作具體解釋。5結(jié)構(gòu)級、pcb級設計結(jié)構(gòu)上需要考慮靜電放電、電磁場輻射、輻射放射三項emc實驗項目，下面主要以因結(jié)構(gòu)限制，在pcb設計中常浮現(xiàn)的一些問題舉行分析。常見問

11、題一，儀表因自身結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部常由幾塊pcb構(gòu)成，pcb之間通過插針、互聯(lián)排線等銜接，如何舉行emi防護?這些都是emc最為堅強的環(huán)節(jié)，當連線長度與干擾頻率的波長可比擬時，既簡單接收到外界的干擾，也簡單將內(nèi)部干擾帶出產(chǎn)品，引起emi超標。設計時可從以下三方面著手解決：對插針中傳遞的信號舉行濾波;盡量削減插針、互聯(lián)排線的長度(從工藝角度可將其捆扎);增強地針數(shù)目，最好采納“地信號1地信號2地信號3地”方式，削減信號的回路面積，降低不同pcb之間的zgnd.常見問題二，針對液晶顯示屏，led指示燈，孔縫等如何舉行靜電esd防護?在設計中建議對液晶顯示屏實行透亮材料絕緣處理，或增大與內(nèi)部電路的放電距

12、離。pcb布線時應注重：濾波器設計時不要讓輸入輸出分開，避開耦合，最好采納“一”或“l(fā)”型;對關(guān)鍵芯片的敏感信號去耦時，去耦電容應緊靠其管腳，以減小回路面積;敏感信號不能從晶振底部穿越，也不能離逼近儀表端口，長距離傳輸時，應注重采納包地方式;盡量縮短關(guān)鍵信號的傳遞路徑距離，采納伴地設計時，注重增強地過孔的數(shù)目;注重不要讓敷地存在地割裂狀況;通過增強距離來降低信任號通道間的空間耦合;通過正交來解決pcb頂層和底層信號的互相影響;模擬地和數(shù)字地在一點處銜接，a/d通常視作模擬器件。常見問題三，如何“接地”?一個產(chǎn)品惟獨一個接地點。因而，對于接地點位置的挑選非常重要，設計時應保證接地點位于干擾信號注入端口且具有低的接地阻抗，通過電容可對共模干擾信號能舉行旁路。若儀表端口設計時預留了一個接地端子，可以是前端三相四線輸入電壓(la、lb、lc、n)的庇護地pe，也可以是其溝通工作電源(l、n)的庇護地pe或者還有可能是rs485通訊(a、b)的庇護地pe/屏蔽地fg.地設計時還應保證這個地是整潔的地，即emc中所述的“靜地”。當?shù)夭徽麧崟r，共模干擾信號可能會從地反竄流入信號造成地