電磁兼容性（EMC）保護措施

1、電磁兼容性（EMC）保護措施    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)計和屏蔽措施可以有效地減少有源干擾。電磁干擾主要來自電源或由容性、磁性、電磁元件通過空氣輻射傳播，本文主要討論如何保護設(shè)備不因外界有害電壓或電流的沖擊而損壞。 有關(guān)部門很早就認識到EMC保護的重要性，并制定了相應(yīng)的設(shè)備兼容性標準。例如，IEC1000-4標準測試方法，其中包括： IEC1000-4-2靜電放電(ESD)測試方法， 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)計和屏蔽措施可以有效地減少有源干擾。電磁干擾主要來自電源或由容性、磁性、電磁元件通過空氣輻射傳播，本文主要討論如何保護設(shè)備不因外界有害電壓或電流的沖擊而損壞。    有關(guān)部門很早就認識到EMC保護的重要性，并制定了相應(yīng)的設(shè)備兼容性標準。例如，IEC1000-4標準測試方法，其中包括： IEC1000-4-2靜電放電(ESD)測試方法， IEC1000-4-4快速瞬變(FTB)測試方法和IEC1000-4-5高能量瞬態(tài)響應(yīng)(浪涌)測試方法，所有的測試方法都以電噪聲的實際模型為準則。一、EMC保護電路  &#

3、160; 隔離    因為信號電路無法承受千伏級電壓，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、然后轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉。地回路電流可以進入接口并流過整個電路，一般需要電流隔離。在連接線較長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。    一個峰值為30A的ESD脈沖在地線上會產(chǎn)生幾十豪伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時間（30A/ns）可以在同樣的線路上（假設(shè)線電感為1nH/cm）產(chǎn)生高達幾百伏的感應(yīng)電壓，足以導致錯誤數(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，通過電容耦合到低噪聲區(qū)域。在解決這個問題時，經(jīng)常有人錯誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來提供一個隔離的電源，這種方法只能導致干擾進一步擴散，使整個電路受到影響。    一種低成本的解決方案是采用MAX253驅(qū)動器構(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100V時產(chǎn)生一個等離子區(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)需要一定的時間，它不能吸收快速瞬變脈沖，不能用作主要保護手段。    壓敏電阻器    一種由金屬氧化物（主要為鋅）制成的保護器件。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，尤其是在信號接近于鉗位電壓時。    Transzorb二極管    用于限制低壓信號的快速瞬變，其功率耗散能力受其尺寸的制約。同壓敏

6、電阻類似，在接近擊穿電壓時有較大的漏電流。節(jié)點電容較大，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。    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)常用來抑制共模干擾并作為主要濾波器件。    電容器    是重要的保護元件之一，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    是重要且廉價的保護器件之一，適當?shù)剡x定電阻值和功率耗散值，可以替代許多昂貴的保護器件。二、EMC保護電路的應(yīng)用   熱電偶    為避免由于地環(huán)路電流的影響造成信號失真，多數(shù)熱電偶應(yīng)用中在信號采集和信號處理之間提供

8、電流隔離。如圖2，差分信號通過多路復(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，ADC的數(shù)字輸出信號通過光或磁耦合器傳輸。    熱電偶每個電極采用一個簡單的低通RC網(wǎng)絡(luò)（2k & 100nF）提供保護，另外，在電路公共端和設(shè)備機柜接地端之間還需接入一個具有高額定電壓的1nF電容，該電容器將ESD干擾旁路到地，維持直流電流的隔離。它同時組成一個電容分壓器，降低隔離電源的峰值電壓。為進一步限制峰值電壓，可以將一個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和浪涌測試中能夠耗散相當大的功率。但是

9、，由于漏電流在流過該保護串聯(lián)電阻時將引起靜態(tài)信號誤差，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)標準器件4052，在擴展溫度范圍內(nèi)保證最大漏電流不超過5nA，25時漏電流典型值為2pA，可能產(chǎn)生的最大誤差只有2V。這個誤差是大多數(shù)熱電偶允許接受的。如果采用儀表放大器做信號緩沖（使用MAX4524四運算放大器），將使泄漏電流在擴展溫度范圍內(nèi)降低到100pA，25時典型值為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、小幅值信號源。    另外一個可

10、替代方案是采用MAX1402單片信號采集器，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用的電流源，具有非常低的輸入漏電流，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。    角度編碼器    角度編碼器可以用來測定電機轉(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串行總線來設(shè)置編碼器初始化參數(shù)，有時這些傳輸線需在遠距離傳送幾kHz的模擬信號或速率為幾Mbit/s的數(shù)字信號（見圖3）。這種情況下無法采用大阻值串聯(lián)電阻或無源阻容網(wǎng)絡(luò)作為保護電路，圖中，終端電阻

11、（通常為120ohm）用來防止信號反射。該系統(tǒng)中首先需要提供ESD和FTB干擾保護，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。為滿足發(fā)送器與接收器共模電壓指標的非對稱性（EIA-422A:-7V至+12V）,需采用不對稱的保護網(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Transzorb二極管。也可以采用MAX490E RS-422收發(fā)器取代整個保護網(wǎng)絡(luò)，它集成有ESD和FTB保護電路。實際應(yīng)用中，收發(fā)器的地必須盡可能短距離的和機殼/大地相連接，如果采用屏蔽線，屏蔽層也需要短距離與此點相連。當兩個分立的接地點之間具有較

12、大的交換電流時，可在屏蔽層和大地之間串聯(lián)一個100 的電阻，最好加上一個具有低ESR值的旁路電容。    如果系統(tǒng)需要浪涌保護，則采用外部保護網(wǎng)絡(luò)，一個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現(xiàn)，它只會產(chǎn)生微小的信號跌落。在發(fā)送端則需確認大約10的串聯(lián)電阻是否可以接受，因為MAX490E的差分輸出阻抗大約為40。實用電路中一般還在數(shù)據(jù)線上串接PTC保險絲（圖4）。    標準信號接口    信號傳輸模式的選擇取決于系統(tǒng)的信號源和信號傳輸距離，對于寬帶、遠距離傳輸，經(jīng)常需要將信號轉(zhuǎn)換為高電平：0V至10V、-10V至+10V、4mA至20mA，或采用差分模擬信號，有些系統(tǒng)則通過有線、光纖、無線等方式傳送數(shù)字信號，任何情況下，都需要將傳感器盡量靠近信號源安裝，以減小噪聲影響。    一個±10V的接口，在電機控制應(yīng)用中經(jīng)常用來設(shè)置