《智能電器》（教學課件）

第六章智能電器監(jiān)控器的電磁

兼容性設計2021/8/231可修改歡迎下載精品課件主要內容電磁兼容概述智能電器監(jiān)控器的電磁兼容性設計問題智能電器監(jiān)控器的EMI測試標準和方法2021/8/232可修改歡迎下載精品課件

電子產品電磁兼容性設計是保證其可靠安全運行的重要措施之一。隨著工業(yè)化的高度發(fā)展，電磁污染已經嚴重地影響到各類電子產品的安全可靠運行，電磁兼容性已成為衡量電子產品是否合格的重要指標。智能電器運行于各種電壓等級和不同工作電流的現場環(huán)境，其監(jiān)控器將受到電力系統(tǒng)及其用電負載運行時產生的各種電磁干擾。2021/8/233可修改歡迎下載精品課件

這些干擾不僅影響監(jiān)控器的正常工作，嚴重時還將損壞監(jiān)控器，造成智能電器一次開關操作失誤，極大地影響被監(jiān)控和保護對象的安全可靠運行。提高智能電器電磁兼容性是保證智能電器工作性能和可靠運行的重要措施之一，也是智能電器監(jiān)控器設計中的一個關鍵問題。2021/8/234可修改歡迎下載精品課件6.1電磁兼容概述按IEC標準，電磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）是指在有限空間、有限時間、有限頻譜資源條件下的各種用電設備可以共存，不使設備可靠性、安全性降低的性能。電子產品的電磁兼容性包括兩方面內容：

①產品抵抗外部電磁干擾，保持正常工作的能力（抗擾性）。2021/8/235可修改歡迎下載精品課件②自身工作時不對其他電子產品造成干擾的性能（干擾抑制）。對于EMC這一概念，作為一門學科，它稱為“電磁兼容”，而作為一個設備或系統(tǒng)的電磁兼容能力，則稱為“電磁兼容性”。6.1.1電磁兼容基本概念

主要討論常用的基本術語、基本的干擾來源、耦合途徑和干擾模型。2021/8/236可修改歡迎下載精品課件

1.基本術語

（1）電磁干擾（EMI）破壞性電磁能通過輻射或傳導在電子設備間傳播的過程。

（2）電磁敏感度（Electromagneticsceptibility,EMS）設備或系統(tǒng)受電磁干擾使工作中斷甚至被破壞的評價指標。2021/8/237可修改歡迎下載精品課件

（3）自兼容性設備內部數字部分對模擬部分的干擾、導線間的串擾和造成數字電路工作紊亂的內部因素及其抑制能力。（4）抗擾性設備抵抗空間電磁干擾（輻射干擾）和通過傳輸電纜、輸電線及I/O連接器的電磁干擾的能力。2021/8/238可修改歡迎下載精品課件

（5）抑制（Suppression）采用某些特殊方法消除或減少存在的射頻能量。（6）密封（Containment）采用金屬封套或涂有射頻導電漆的塑料外殼，屏蔽電磁能量進入設備或從設備泄漏。2021/8/239可修改歡迎下載精品課件2．設計中常見的電磁干擾類型（1）射頻干擾各類無線通信設備對電子產品工作的干擾。典型的設備故障出現在場強為1～10V/m的范圍內。（2）電力干擾電力線電磁場、電流電壓浪涌、電壓閃變、電力線諧波等產生的電磁干擾。2021/8/2310可修改歡迎下載精品課件

（3）靜電放電

不同靜電電位的物體因靠近或接觸發(fā)生的電荷轉移。一般定義邊沿變化小于1ns的高頻放電有接觸式和輻射式兩種。接觸式放電造成設備永久損壞或潛在隱患；輻射式放電只影響設備工作，不會造成永久性破壞。2021/8/2311可修改歡迎下載精品課件3.

簡單的電磁干擾模型

1）簡單電磁干擾模型的3個要素：（1）干擾源能發(fā)出一定能量的干擾信號的設備。（2）接收器能接收干擾源能量并受其影響，使工作發(fā)生紊亂的器件和設備。2021/8/2312可修改歡迎下載精品課件

（3）耦合路徑干擾源和接收器之間傳輸電磁干擾能量的路徑。

2）干擾模型2021/8/2313可修改歡迎下載精品課件4．系統(tǒng)級和PCB級的EMI

電子產品的EMC設計需考慮系統(tǒng)（整機）和內部PCB（印制電路板）兩個層面，并針對產生干擾的原因，采取抑制措施。

1）系統(tǒng)級EMI產生的原因和抑制系統(tǒng)級EMI就是整機受到的電磁干擾。（1）引起系統(tǒng)級干擾的主要因素：

①產品封裝措施不當。2021/8/2314可修改歡迎下載精品課件②產品整體設計不合理，制造質量不高，電纜與電氣接頭接地不可靠。③PCB布局錯誤，如信號走線布局和多層板分層不恰當、共模和差模信號濾波器設計不正確、旁路和去耦不足，板上有接地環(huán)路等。（2）主要抑制措施

①采取合適的方法保證產品良好的屏蔽。2021/8/2315可修改歡迎下載精品課件②合理可靠的接地和旁路設計。

③選用合適的線路濾波器。

④保證產品各部分可靠的電氣隔離。

⑤正確設計各部分間的連線和PCB布線并控制其阻抗等。2021/8/2316可修改歡迎下載精品課件

2）PCB的電磁干擾模型干擾主要是頻率范圍10kHz～100MHz的射頻信號。（1）干擾源時鐘振蕩電路、塑封IC芯片、不正確的布線、匹配不當的阻抗、內部電纜連接器。（2）傳播路徑互連電纜和自由空間等承載射頻能量的媒質。2021/8/2317可修改歡迎下載精品課件

（3）接收器

PCB上的元件、信號傳輸線、電源線。

（4）產品電磁兼容性設計的主要內容

①減小自身對外的電磁干擾能量，降低干擾源電壓和傳播效率。

②減小進入本體的外界電磁干擾能量，降低自身的電磁敏感度或提高自身的抗擾能力。2021/8/2318可修改歡迎下載精品課件5．電磁干擾的耦合從干擾源到接收器，電磁干擾可以有不同的耦合路徑，每種路徑又有不同的傳輸機制。

1）耦合路徑

①干擾源到接收器的直接輻射；

②干擾源對接收器信號I/O電纜的輻射。2021/8/2319可修改歡迎下載精品課件

③

通過信號I/O電纜或AC干線輻射到接收器。

④通過普通電力線或信號I/O電纜傳播。

電磁干擾的耦合路徑示意圖2021/8/2320可修改歡迎下載精品課件2）耦合路徑的傳輸機制每種耦合路徑都有傳導和輻射兩種機制，就是通常所指的“路”和“場”的偶合方式，也稱為傳導耦合與電磁場耦合。傳導耦合通過噪聲源與接收器間連線的公共阻抗產生；電磁場耦合是電場和磁場兩種耦合機制的綜合。電磁場耦合機制的原理圖2021/8/2321可修改歡迎下載精品課件

頻率越高，場的影響越大；頻率越低，通過路傳導的EMI效率越高。實際上，對于任何采用數字信號工作的電子電路，通過路和場耦合的干擾總是同時存在的。磁場耦合電場耦合2021/8/2322可修改歡迎下載精品課件6.1.2電子產品中電磁發(fā)射和磁場干擾的抑制

1、產品中電磁發(fā)射和磁場干擾的產生機理

①電磁發(fā)射各種數字電路芯片和高頻模擬電路芯片運行過程中，因PCB走線或產品各部分連線的設計不合理而產生天線效應，發(fā)出電磁波引起的射頻干擾。當電磁波能量達到一定值時，將會影響周圍電子設備和自身的正常工作。2021/8/2323可修改歡迎下載精品課件②磁場干擾產品內部的電源線和高頻工作的電感性元件工作時產生的磁場通過輻射方式干擾產品運行，造成的工作紊亂。了解電磁發(fā)射和磁場干擾的抑制方法，對產品電磁兼容性設計十分重要。2021/8/2324可修改歡迎下載精品課件

2、電子產品的電磁發(fā)射及其抑制在電子設備中，數字電路芯片端口信號跳變沿的頻率可達數百兆赫茲，有些模擬電路信號頻率達到兆赫茲以上，這些數字或模擬信號都可能通過導線傳導干擾或向空中幅射干擾，影響電子設備自身并干擾其他電子設備。2021/8/2325可修改歡迎下載精品課件

1）抑制電磁發(fā)射的基本措施

（1）降低干擾信號的能量

①在不影響產品整體工作性能的前提下，減小數字信號的跳變速率或降低數字信號的傳輸速度。

②采用貼片元件，縮短高頻工作芯片的外引腳，減小傳輸高頻信號走線的長度，可抑制天線效應，減少高頻信號幅射能量。2021/8/2326可修改歡迎下載精品課件

（2）隔離干擾信號的傳播途徑最簡單有效的隔離方法是屏蔽，常用的屏蔽有3個層面。

①采用導磁金屬材料外殼封裝，外殼可靠接地（大地）。

②容易產生高頻幅射的局部電路或IC芯片加金屬屏蔽罩，屏蔽罩接信號地。2021/8/2327可修改歡迎下載精品課件③電路板中傳輸高速數字信號或高頻模擬信號的走線兩側敷銅并接信號地，實現與其他信號線的隔離。

（3）濾波

①直接在電路芯片電源引腳間接入去耦電容或去耦電阻電容，濾除通過電源走線進入芯片的高頻干擾信號。2021/8/2328可修改歡迎下載精品課件②在產品交流220V電源輸入端設置電源濾波器，防止產品工作時產生的高頻干擾進入電網。

3、電磁能量的干擾機理及其抑制

1）干擾來源

①

大電流或高頻導線（或銅排）中流過電流時，在導線周圍產生的磁場。2021/8/2329可修改歡迎下載精品課件②開關電源的高頻變壓器及一切電感元件在工作時必然產生的漏磁通。

2）干擾機理

①上述磁通穿過芯片或敏感電路模塊，半導體中的帶電粒子（電子和空穴）在磁場中受到洛倫茲力，偏離原來的運動方向，使芯片和模塊的工作電流波形受磁場變化的調制而發(fā)生畸變，導致這些芯片或電路模塊的正常工作受到干擾。2021/8/2330可修改歡迎下載精品課件

②信號電流總是在閉合回路中流動。當外部干擾磁通穿越閉合回路包圍的面積時，會在閉合回路中感應電流，同樣會造成電流波形畸變。

3）抑制措施

①屏蔽干擾磁場。

②減小信號電流的回路面積。2021/8/2331可修改歡迎下載精品課件（1）屏蔽方法最常用的抑制磁場輻射干擾的措施是采用導電或導磁材料屏蔽。

①變化的干擾磁通穿過導電材料（如薄銅皮）時，會在其中產生渦流，并生成方向相反的磁通，可以削弱穿過導電屏蔽層的干擾磁通。

②高頻變壓器磁心外包一層形成短路環(huán)的薄銅皮，可有效抑制變壓器漏磁通外泄。2021/8/2332可修改歡迎下載精品課件③用導磁材料（鐵板或鋼板）做設備的機箱，是整機磁屏蔽的常用方法。這種方法不僅可以抵抗外部干擾磁通進入電子設備，而且能避免內部磁通外泄。屏蔽材料導磁性越好，板越厚，機箱不易發(fā)生磁飽和，屏蔽效果也越好。（2）減小信號電流回路包圍面積的措施減小信號電流回路面積的目的是減少穿越其中的干擾磁通。2021/8/2333可修改歡迎下載精品課件

常用措施：

①采用雙絞線，使信號電流的去線和回線緊密絞合，可以縮小回路包圍的面積。

②用屏蔽線做外部引入的信號線。使用時將心線作為信號電流去線，銅絲編織的屏蔽層作為信號電流的回線，必須單端接信號地。這種方法的回路面積小于雙絞線，屏蔽層還能實現磁場屏蔽。2021/8/2334可修改歡迎下載精品課件③在保證絕緣安全的前提下，PCB中的信號線與地線盡量靠近以縮小信號電流回路包圍的面積。

④選用PCB上的IC芯片和電路模塊時，在保證電路功能的條件下，應盡量選用電源進線引腳和零伏線引腳靠近的封裝

⑤PCB設計時，在確保絕緣安全的前提下，使電源線和零伏線靠近布置。2021/8/2335可修改歡迎下載精品課件6.1.3差模干擾和共模干擾

差模干擾DMI（DifferenceModeInterference）和共模干擾CMI（CommonModeInterference）都是傳導干擾。產品工作環(huán)境的電磁干擾、PCB板上各種走線布置、進線和回線自身及其對接地機殼阻抗不完全一致，在交流電源輸入端和工作信號輸入端會存在共模電壓和差模電壓，并在傳輸導線中產生相應的電流。2021/8/2336可修改歡迎下載精品課件

共模電壓在電源或信號的進線和回線中產生的干擾電流方向相同，而差模電壓產生的電流方向相反。 共模電流和差模電流不僅干擾電源和信號的電流波形，還產生磁場輻射，影響PCB的正常工作。差模電流共模電流2021/8/2337可修改歡迎下載精品課件1、差模干擾的抑制

差模電壓出現在電源或信號傳輸的進線和回線間，在進線和回線中的差模電流方向相反，產生方向相反的磁場。只要使進線和回線近距離平行走線，差模電流產生的磁場就可以相互抵消，減小干擾。2021/8/2338可修改歡迎下載精品課件2、共模干擾的抑制共模電壓存在于電源或信號的進線和回線與接地金屬外殼之間，使得在進線和回線中共模電流的方向相同，產生的磁場方向相同，相互疊加。共模干擾不能簡單地通過布線來減小，最有效的措施是使共模電壓為零。常用的方法是靈敏接地。2021/8/2339可修改歡迎下載精品課件3、系統(tǒng)級共模和差模干擾的抑制系統(tǒng)級共模和差模干擾是指由產品外部干擾產生的共模/差模電壓/電流導致的干擾。當前采用最多、最有效的減少系統(tǒng)級共模和差模干擾的方法，是在產品的交流電源入口端接入適當的線路濾波器，可以有效地隔離外部共模和差模電壓及其產生的電流。2021/8/2340可修改歡迎下載精品課件

6.2.1監(jiān)控器受到的主要干擾

1、低頻干擾造成低頻干擾的因素：

①高、中、低電壓電網中的諧波干擾，一般應考慮到40次諧波（2000Hz）。

②電網電壓跌落和短時中斷。③電網三相電壓不平衡和電網頻率變化引起的干擾。2021/8/2341可修改歡迎下載精品課件2、高頻干擾①20kHz以上的電壓浪涌和50kHz以上的電流浪涌與電網中的開關電器操作，變壓器、電動機及繼電器等感性負載的投切和雷擊、線路或負載短路等因素有關。②快速瞬變脈沖群干擾電器元件器接點彈跳、真空斷路器操作時電弧電壓不穩(wěn)定引起。2021/8/2342可修改歡迎下載精品課件3、靜電放電干擾來自雷電、操作者和鄰近物體對設備的放電。

4、磁場干擾①工頻電流或變壓器磁場泄漏產生的工頻磁場干擾。②由雷電或大功率電力電子裝置運行引起的脈沖磁場干擾。2021/8/2343可修改歡迎下載精品課件6.2.2監(jiān)控器的系統(tǒng)級電磁兼容性設計系統(tǒng)級EMC設計的目的是減小監(jiān)控器整體對低頻干擾、高頻干擾、靜電放電和磁場干擾的靈敏度，提高監(jiān)控器對這些干擾的抵抗能力。

1.靜電放電干擾的抑制

1）靜電放電分類

直接耦合造成設備永久損壞。2021/8/2344可修改歡迎下載精品課件

輻射耦合影響監(jiān)控器正常工作。

2）抑制方法靜電干擾最有效的抑制方法是讓監(jiān)控單元屏蔽外殼良好接地（大地）。

3）操作措施把監(jiān)控單元用的開關電源金屬外殼與單元本體的屏蔽外殼可靠連接，同時把單元本體的屏蔽外殼直接接地。

2021/8/2345可修改歡迎下載精品課件

2.減小電網電壓跌落和短暫中斷的影響（1）采用具有寬輸入電壓范圍并帶有儲能電感和電容的開關電源為監(jiān)控器供電。（2）增設對電源供電質量的監(jiān)視，在電源電壓跌落到極限值后，監(jiān)控器報警并閉鎖一些服務功能。（3）設置備用電源。2021/8/2346可修改歡迎下載精品課件

3.濾除快速瞬變脈沖群的干擾

(1)干擾來源

監(jiān)控單元輸出繼電器接點彈跳；一次真空斷路器操作時電弧不穩(wěn)定。

(2)特點單個脈沖上升時間快，持續(xù)時間短，能量低，重復頻率較高。一般脈沖周期在50μs以內，脈沖群重復率1~100次/s、尖峰電壓200~3000V。2021/8/2347可修改歡迎下載精品課件

這種干擾會通過電源、模擬通道、二次采樣互感器影響監(jiān)控器工作。

（3）應對措施

①設置電源線路濾波器

脈沖群干擾信號容易從電源線進入監(jiān)控器內部，通過輻射或傳導耦合的方式干擾內部工作信號或影響電路元件工作。

2021/8/2348可修改歡迎下載精品課件

解決方案：

在供電電源的交流輸入端接入高品質的無源線路濾波器，將干擾信號阻隔在智能監(jiān)控器的外部。線路濾波器應同時考慮抑制共模干擾和差模干擾。差模干擾（Vcd）常產生在相間和相與中線之間；共模干擾（Vcm）常出現在電源線與地線之間。2021/8/2349可修改歡迎下載精品課件

線路濾波器的基本結構2021/8/2350可修改歡迎下載精品課件

②

消除模擬量輸入通道的干擾快速瞬變脈沖群可通過二次（采樣用）互感器對模擬量輸入通道產生共模和差模干擾。

兩種抑制措施：

監(jiān)控器專用采樣互感器二次側加入LC組成的π型低通濾波器。濾波器設計應保證對基波基本無影響，幅度衰減為零，相移小于0.3°。2021/8/2351可修改歡迎下載精品課件監(jiān)控器模擬量輸入通道線路中接入高頻磁環(huán)，以不同的接線方式分別抑制差模和共模干擾。

③用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）吸收過電壓能量

瞬變脈沖群電壓以傳導或輻射方式干擾監(jiān)控器工作的直流電源，會使PCB電路中的芯片和元件因承受超過其允許工作電壓的脈沖電壓而損壞。

2021/8/2352可修改歡迎下載精品課件

應對措施：

在電源模塊輸出直流側并聯瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）吸收過電壓能量。TVS擊穿電壓按監(jiān)控器直流電源電壓選擇，最大峰值脈沖功耗由可能加在電源上過電壓能量的最大值決定。

④裝設去耦電容

每個芯片的電源和零線之間再加一級去耦電容，進一步消除由電源線竄入的干擾通過耦合方式影響PCB板上的信號線。2021/8/2353可修改歡迎下載精品課件4.電壓、電流浪涌的吸收

常見的浪涌分雷電浪涌電流和開關操作浪涌電壓。

(1)特點基本上是單極性脈沖或迅速衰減的振蕩波，持續(xù)時間較長。單極性脈沖上升比較緩慢但能量大。2021/8/2354可修改歡迎下載精品課件(2)危害方式通過傳導和輻射進入監(jiān)控器內部，造成電路芯片、元件甚至整機的損壞。

(3)主要應對措施在電源模塊的交流輸入側線路濾波器前和輸出直流側并接過壓抑制器。常用元件有壓敏電阻、氣體放電管和瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。2021/8/2355可修改歡迎下載精品課件1）壓敏電阻是一種非線性、箝壓型電阻元件，用于吸收開關操作、雷擊引起的電源線路中的浪涌能量，抑制被保護線路的過電壓。電路符號與伏-安特性2021/8/2356可修改歡迎下載精品課件

（1）使用特點能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流。（2）主要選用參數

①壓敏電壓是壓敏電阻的擊穿電壓（或閾值電壓），指在其中通入1mA直流電流時測到的元件兩端的電壓。2021/8/2357可修改歡迎下載精品課件

壓敏電壓選擇原則：

為保證電壓抑制效果和元件自身的使用壽命，實際應用中，壓敏電壓一般按1.5倍被保護電路電壓的峰值或2.2倍電路電壓有效值選擇。

2）通流容量

環(huán)境溫度為25℃，用規(guī)定的沖擊電流波形對元件沖擊規(guī)定的次數，其壓敏電壓的變化不超過±10％的最大脈沖電流值。2021/8/2358可修改歡迎下載精品課件

（1）通流容量的選擇方法

為了壓敏電阻自身工作的安全，通流容量應大于元件可能吸收的最大浪涌能量。考慮到保護效果，所選用的通流容量應更大一些，通常根據被保護對象的容量按經驗選取。（2）使用要點

①用伏安特性盡可能一致的元件并聯，可擴大其通流容量。2021/8/2359可修改歡迎下載精品課件②能夠吸收的浪涌能量大，但寄生電容容量大，響應時間較長，而且隨著沖擊次數增加，其漏電流也增加。當前使用較多的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻。

2）氣體放電管由一對封裝在玻璃管中的電極組成，使用時與被保護電路并聯。2021/8/2360可修改歡迎下載精品課件（1）氣體放電管的特性表現為開關型。施加在電極間的電壓超過極間氣體間隙放電閾值時，氣體間隙被擊穿，呈現出近似短路的狀態(tài)。擊穿的閾值電壓隨擊穿次數增加而降低。

（2）氣體放電管的使用特點

①一般不在直流電路中使用。2021/8/2361可修改歡迎下載精品課件②交流電路中被擊穿后可以恢復，但會產生持續(xù)時間較長的恢復電流，可能使氣體放電管損壞。因此，氣體放電管必須與適當阻值的電阻串聯再與被保護電路并聯。在實際應用中，氣體放電管常與壓敏電阻串聯使用。原理電路2021/8/2362可修改歡迎下載精品課件

這種用法可限制出現浪涌時流經氣體放電管的跟隨電流。同時，由于電容的旁路作用，在放電開始的瞬間，浪涌能量不直接進入壓敏電阻，可減緩浪涌次數對壓敏電阻漏電流增加的影響。

3）瞬態(tài)電壓抑制器TVS（TransientVoltageSuppressor）是一種二極管形式的高效能保護器件，也是箝位型的電子器件。2021/8/2363可修改歡迎下載精品課件TVS分為單極性和雙極性兩種，分別適用于直流和交流電路保護，使用時與被保護對象并聯。

TVS的特性2021/8/2364可修改歡迎下載精品課件（1）TVS使用特點

①承受浪涌峰值電流的能力低于壓敏電阻，額定的箝位電壓越高，耐受浪涌峰值電流的能力越低。

②在規(guī)定反向應用條件下承受一定高能量的浪涌脈沖時，其工作阻抗可在1ps內由高阻變?yōu)榈妥?，使浪涌脈沖電流通過，并將電壓箝制在器件規(guī)定的水平。

2021/8/2365可修改歡迎下載精品課件③承受的瞬時脈沖功率可達上千瓦，電壓箝位時間一般為10～12s，響應時間1ps。

④環(huán)境溫度TA=25℃，脈沖持續(xù)時間t=10ms條件下，允許的正向浪涌電流可達50～200A。（2）應用要點

①可按保護對象的實際工作電壓允許的波動選擇器件額定電壓。2021/8/2366可修改歡迎下載精品課件②承受浪涌峰值電流的能力較低，在實際應用中，多用于被保護裝置電源模塊直流輸出端的過壓保護。

③用于被保護裝置電源模塊交流輸入端時，一般需要與壓敏電阻等大功率浪涌吸收元件配合，作為提高對浪涌響應速度的輔助元件。2021/8/2367可修改歡迎下載精品課件

6.2.3監(jiān)控器PCB的抗干擾設計

PCB是監(jiān)控器的核心組成部分，包含了監(jiān)控器中幾乎所有的電路元件、信號和工作電源電路走線、與外部設備和交流電源的I/O連接件。它們既是干擾源也是接收器。

PCB的抗干擾設計是監(jiān)控器EMC設計中最關鍵的環(huán)節(jié)。2021/8/2368可修改歡迎下載精品課件1．PCB與EMI1）PCB產生電磁干擾的機理

①

電路中的數字信號包含的高次諧波。

②高速數字IC芯片內部開關元件工作狀態(tài)改變過程會產生電流突變。

③無源電路元件和走線對不同的工作頻率，會呈現完全不同的阻抗特性。對數字電路工作信號的高頻段，電路將呈現完全不同的工作狀態(tài)，造成電磁干擾。2021/8/2369可修改歡迎下載精品課件

④設計時只從單一的頻率響應考慮電路元件，或只從時域特性選擇元件，也有可能引起EMI。

2）導線和PCB走線導線或PCB走線都有潛在的寄生電容和電感，影響其實際阻抗及其對頻率的響應。2021/8/2370可修改歡迎下載精品課件

①

導線和PCB走線在DC和低頻應用中基本呈現電阻特性，在高頻段則主要表現為電感。②PCB走線長度選擇不當，可能使其寄生電感和被連接的電容元件對數字信號頻譜中的某些頻率產生諧振，成為一根輻射天線。

EMC設計中，一般要求導線或走線長度小于特定頻率電磁波波長的1/20。

原因：2021/8/2371可修改歡迎下載精品課件導線（或PCB走線）及無源電路元件的頻域等效2021/8/2372可修改歡迎下載精品課件3）無源電路元件

各種無源電路元件對高頻信號都表現出不同于它們實際應有的阻抗特性。

（1）電阻影響電阻元件潛在特性因素是頻率，低頻段為電阻，高頻段為電感、電阻、電容的復合。2021/8/2373可修改歡迎下載精品課件元件材料：不同材料的電阻，存在與頻域相關的限制。元件封裝尺寸：電阻的封裝尺寸與其寄生電容相關，在GHz頻率范圍內影響極大；元件安裝方式：影響PCB過電壓損壞，表貼安裝比引線安裝更易受到靜電放電(ESD)事件的破壞。EMC設計中應注意的問題：2021/8/2374可修改歡迎下載精品課件

（2）電容電容器的實際特性為R-L-C串聯。在工作頻率低于其諧振頻率時，主要表現為電容，超過諧振頻率時，將呈現出電感特性而失去電容器功能。2021/8/2375可修改歡迎下載精品課件（3）電感感抗與頻率呈線性關系。在低頻段，電感可等效為電阻和電感串聯，不必考慮線圈匝間、層間的寄生電容。但對于高頻信號，寄生電容的影響遠大于電感。電路中電感用于阻斷電流中的高頻干擾。電感對高頻信號等效為L、C并聯。干擾信號頻率越高，電感阻抗越大，電容的阻抗越小，干擾將通過電容偶合無法隔斷。2021/8/2376可修改歡迎下載精品課件<1>應對措施采用鐵氧體鐵心電感。<2>原因鐵氧體在低頻時電感很小，頻率超過一定值后，電感線性上升。采用這種鐵心，電感線圈繞組間的電容最小。2021/8/2377可修改歡迎下載精品課件(4)

變壓器

<1>功能

供電、數字（或脈沖）信號隔離、I/O連接器、共模信號隔離等。

<2>潛在電氣特性繞組匝間有分布電容，層間和原、副邊之間有耦合電容。

2021/8/2378可修改歡迎下載精品課件<3>造成的后果

分布電容與漏感并聯諧振，對電壓信號頻譜中接近其諧振頻率的部分幅值放大，造成信號畸變和干擾。

耦合電容的耦合度隨信號頻率增加而增加，對快速閃變、ESD、雷電等高頻信號失去隔離作用。2021/8/2379可修改歡迎下載精品課件（5）小結

PCB中產生EMI的根本原因：

①PCB電路工作時的時變電流

電流通過導線將產生磁場，而磁場穿過閉合回路時又會產生電場，從而引起EMI。

②時鐘和數字信號電流中的高頻諧波走線和無源元件對高頻諧波呈現的不同阻抗特性，對電路的工作產生不同的影響。2021/8/2380可修改歡迎下載精品課件<1>數字電路與模擬電路分開布置，分開供電；

<2>盡量加寬板上電源線和地線的線寬，以減小傳導阻抗造成的各芯片間的電位差；

<3>強電區(qū)域與弱電區(qū)域嚴格分離。除電源必須隔離外，還應保證強電連線與弱電的連線之間最小距離不小于0.8cm，以減少串音耦合的干擾；2021/8/2381可修改歡迎下載精品課件4）數字IC芯片

智能電器監(jiān)控器PCB上的IC芯片大多是數字電路，它們工作時每一個邏輯狀態(tài)變化都會產生一次瞬時尖峰電流浪涌，引起接地噪聲。通常這種噪聲沒有足夠的能量，不會對PCB工作造成功能性影響。若邏輯信號的邊沿速率非常高，這種尖峰電流將會影響PCB工作性能。2021/8/2382可修改歡迎下載精品課件（1）數字IC芯片對PCB工作影響

①邊沿速率

邊沿速率指每納秒信號電壓或電流上升或下降的幅度，單位為V/ns或A/ns。它反映了元件工作狀態(tài)的切換速度，與元件的傳輸延時無關。通常邊沿速率都高于傳輸延時。但是元件速度越高，其邊沿速率必然越高。2021/8/2383可修改歡迎下載精品課件

邊沿速率對電路工作的影響

產生寬頻率范圍的射頻能量；

信號波形畸變。

例如，一個邊沿時間為1ns的5MHz信號產生的射頻能量，遠大于邊沿時間4ns，頻率為100MHz信號產生的射頻能量。2021/8/2384可修改歡迎下載精品課件

抑制邊沿速率過高產生射頻干擾的措施：

在保證滿足設計功能和信號傳送質量的要求的前提下，盡可能選用速率較低的元件。

不用比功能要求或電路實際要求速率更高的元件，是數字電路設計的基本思路。

在不降低工作頻率和信號傳輸質量的條件下，降低時鐘脈沖信號的邊沿速率。2021/8/2385可修改歡迎下載精品課件②

邏輯元件工作狀態(tài)的改變

邏輯元件狀態(tài)改變時的瞬態(tài)涌流是射頻能量的主要來源。產生瞬態(tài)涌流的一個原因是元件輸出級的互補或推挽晶體管對的工作狀態(tài)變化需要時間，在元件輸出邏輯狀態(tài)發(fā)生改變時，晶體管對在瞬間會同時導通，造成電源短路，產生電壓瞬間跌落。2021/8/2386可修改歡迎下載精品課件

在PCB布線中產生干擾的機理：

PCB中存在元件負載的分布電容和線路的對地電容，當元件輸出電壓狀態(tài)改變時，電源需要提供的電流遠大于靜態(tài)電流。電流大小為

2021/8/2387可修改歡迎下載精品課件

其中，C為負載分布電容與線路對地電容的總和。對于單層板，C為0.2~0.3pF/cm，多層板一般為0.1~2pF/cm。電壓的瞬間跌落和電流的瞬態(tài)浪涌不僅通過傳導干擾PCB的工作，而且是產生影響PCB工作性能的射頻能量的主要因素之一。2021/8/2388可修改歡迎下載精品課件

③

元件封裝與EMI

元件封裝對PCB的EMI影響主要是由引線電感和引線間的電容產生的。電感包括各種IC元件和電容、電阻等無源元件的內部引線電感，元件到PCB連線電感。電容指IC元件引線間的耦合電容。2021/8/2389可修改歡迎下載精品課件元件封裝主要影響：管芯到基座的引線長度元件電源引腳的位置管芯的環(huán)形面積元件安裝到PCB上的方式減小元件封裝對EMI影響的措施：

用DIP封裝器件時，盡量選電源引腳在兩側中間布置的器件。2021/8/2390可修改歡迎下載精品課件這為去耦電容在PCB底層布置提供最佳的安裝位置和最短的引線，器件內部電源引線也最短。2021/8/2391可修改歡迎下載精品課件

采用表貼技術（SMT）封裝的元件替代通孔安裝的元件，絕對不能在產品中使用插座來安裝元件。表貼元件引腳到PCB的連線最短，電源線與地（0V）線距離最短，射頻電流回路面積也最小。

SMT比DIP封裝大小減小近40%，管芯與安裝底座間輻射環(huán)路長度減小近64%，元件間連線長度更短。2021/8/2392可修改歡迎下載精品課件④數字元件的零電位波動及其影響零電位波動是指元件內部接地參考面與PCB地平面或地線間的電位波動，它不僅影響電路中元件的正常工作，也增加了PCB的輻射干擾。造成零電位波動的基本原因：

數字元件輸出端電平變化產生的瞬時浪涌電流通過連接PCB零伏平面（線）的引線電感時產生的電壓。

2021/8/2393可修改歡迎下載精品課件

輸出驅動級只有一個FET的數字元件，當輸出從高電平變成低電平時，由于其輸出端對零伏平面（線）的分布電容以及負載輸入端的電容產生電流瞬時浪涌，通過FET及其與零伏平面（線）連接的引腳電感放電。輸出驅動級為推挽或互補FET對的器件在狀態(tài)變換瞬間同時導通產生的瞬時涌流通過接地電感。2021/8/2394可修改歡迎下載精品課件2021/8/2395可修改歡迎下載精品課件

減小PCB地電位波動的主要措施：

減小元件輸出端到負載的電容，增加電阻。

使用電源和接地參考布置在芯片外引腳中間的芯片代替對角布置的芯片，正式產品最好使用SMT芯片代替PID芯片。

在電路比較復雜的情況下，采用多層板布線。

PCB布線設計時，盡可能減小輸出信號線的電感，特別要注意減小芯片接電源和接地時的電感。選擇使用低電感芯片封裝的元件，例如同樣20引腳的芯片，采用標準DIP封裝，引線長度電感為3.4~13.7H，采用PLCC封裝，為3.5~6.3H。2021/8/2396可修改歡迎下載精品課件2．監(jiān)控器設計中提高PCB抗干擾的措施一般應從布線和選擇數字電路芯片兩方面分別采取相應的措施。

1）PCB布線設計的抗干擾措施

①數字電路與模擬電路分開布置，盡可能分開供電。

②采用雙面基板時，盡量加寬板上電源進線與回線（零伏線）的線寬，減小傳導阻抗造成的各芯片電源間的電位差。2021/8/2397可修改歡迎下載精品課件③PCB的強電區(qū)域與弱電區(qū)域嚴格分離。除供電電源必須隔離外，應保證強電走線與弱電走線間最小距離不小于0.8cm，以減少串音耦合的干擾。

④通信部分采用與中央控制模塊完全隔離的獨立電源供電。

⑤與數據線聯系密切的芯片盡可能集中布置，以減少總線的長度。2021/8/2398可修改歡迎下載精品課件

⑥

減少平行走線的數量和長度，并在板面允許的情況下盡量加大線寬和線間的距離，減少信號傳輸線的阻抗和寄生電容。

⑦PCB基板采用多層板。優(yōu)點：

工作電源的電源線和零伏線分別占用一層敷銅層，可減小電源線和零線的電阻、電感，抑制噪聲。

電源線層和零伏線層間的電容較大，有良好的去耦通路，電源線上的干擾減小。

2021/8/2399可修改歡迎下載精品課件PCB上所有元件的電源引腳直接連接到電源線層和零線層，降低了由于電源公共阻抗導致的干擾。此外，采用多層板布線，還可提高抗浪涌能力。

多層板布線要點：

不同層上的信號線走向應當垂直，減小平行走線引起的串擾。2021/8/23100可修改歡迎下載精品課件

電源線層和零伏線層應占有多層基板中間的相鄰兩層，利用兩層銅箔間的耦合電容，提供去偶功能。

信號線中的高速時鐘和高頻數字信號線應布置在與零伏線層相鄰的信號線層，減小信號回路面積及由此引起的輻射干擾。

⑧數字IC電路，特別是采用CMOS工藝的數字IC電路，不使用的I/O引腳必須經電阻接電源或零線（上拉或下拉）。2021/8/23101可修改歡迎下載精品課件2）數字電路IC芯片的選擇數字IC內部的晶體管或FET在其工作狀態(tài)變換過程中出現的瞬時涌流會產生射頻干擾，并引起零伏線的波動，影響PCB工作。在PCB設計中，正確選擇數字IC芯片是監(jiān)控器EMC設計中十分重要的內容。芯片的選擇主要考慮元件的封裝形式和邏輯變換時的信號跳變速度。2021/8/23102可修改歡迎下載精品課件

①

盡可能采用表貼封裝的IC元件，這種封裝的元件電源回路面積最小，管芯與安裝底座間輻射環(huán)路長度小，元件間連線長度短。可減小元件射頻輻射能量，通過傳導和輻射對元件的干擾也較小。

②使用雙列直插元件時，盡量選用電源線和零伏線臨近布置的封裝形式，可減小電源回路包圍的面積。在產品中絕對不要通過插座來安裝元件。2021/8/23103可修改歡迎下載精品課件

③

在完成的功能和工作頻率相同的情況下，使用變化沿較緩慢的數字IC芯片，可抑制電路工作時的輻射干擾。提高PCB抗擾性的其他措施：

對PCB的重要控制命令的出口電路，必須采用光電耦合器隔離，同時設置封鎖位，配合軟件中相應的程序進行二級控制。2021/8/23104可修改歡迎下載精品課件3．監(jiān)控器軟件的抗干擾措施軟件是監(jiān)控器完成各種功能的核心，包括全部程序和執(zhí)行程序需要的數據。

1）軟件被干擾的原因

存放程序代碼和數據的內存單元，在電磁干擾下其內容可能會發(fā)生變化，導致程序工作紊亂，使智能電器不能正常工作。

2021/8/23105可修改歡迎下載精品課件（1）使用看門狗（Watchdog）監(jiān)視程序

正常工作時，程序定時使Watchdog定時器復位。程序因干擾偏離后，Watchdog不能按時復位而產生溢出，使處理器件復位，程序將重新開始執(zhí)行，恢復正常工作。

為保證程序偏離前的主要信息不丟失，硬件中必須配置非易失性RAM，并在程序中把關鍵數據及時拷貝到非易失性RAM中。2）主要應對措施：2021/8/23106可修改歡迎下載精品課件（2）軟件陷阱和指令冗余

<1>指令冗余

在長、短調用，有條件和無條件的長、短轉移等決定程序流向的指令前插入空操作指令，或在各程序模塊間無代碼的ROM空間設置單字節(jié)的空操作、重起動等指令。

<2>軟件陷阱設計一個專門的出錯處理程序模塊，在程序因干擾發(fā)生錯誤時，把程序引導到出錯處理程序。2021/8/23107可修改歡迎下載精品課件（3）無擾動的重恢復技術

包括4方面的內容:

①

復位后的初始化分冷啟動和熱啟動，分別設置上電標志。冷起動指正常的上電復位起動，熱起動是程序出現錯誤時，由Watchdog或復位指令、出錯處理程序等引起的復位起動。2021/8/23108可修改歡迎下載精品課件

兩種情況對處理器件和I/O接口電路進行不同初始化。

冷起動全面初始化。

熱起動部分I/O接口重新初始化，并恢復部分關鍵數據。2021/8/23109可修改歡迎下載精品課件

②采用容錯技術對數據進行有效的保護

軟件設計時，在不同的數據存儲器空間設置重要數據的保護存儲單元，備份軟件中所有的標志字、部分計量數據、故障狀態(tài)、開關狀態(tài)及重要事件發(fā)生時間等重要信息。需要長時間保護的數據，應在數據存儲區(qū)設立非易失性存儲單元，保證掉電時數據不丟失。2021/8/23110可修改歡迎下載精品課件3）軟件模塊設置功能和任務標志對每個功能模塊和任務模塊設置標志字，程序模塊或任務入口必須判斷標志字正確后才執(zhí)行。

4）上電復位或再復位后，程序入口處應當鎖定一些重要的硬件出口，在初始化后智能監(jiān)控器能正常工作時再解除封鎖。2021/8/23111可修改歡迎下載精品課件6.3智能電器監(jiān)控器的EMI測試標準和方法作為一種標準的工業(yè)電子設備，智能電器的電磁兼容測試基礎性標準是IEC下設的“電氣設備電磁兼容設計委員會”IEC/TC77制定的IEC61000—4—X抗擾度標準。

IEC61000—4—X規(guī)范的抗擾度試驗有低頻干擾、傳導性質的瞬變及高頻干擾、靜電放電干擾、磁場干擾、電場干擾等幾類。2021/8/23112可修改歡迎下載精品課件電氣電子產品抗擾度測試國家標準與IEC61000—4—X對照表

序號國家標準標準名稱對應的國際標準號1GB/T17626.1-1998抗擾度試驗總論IEC61000-4-1:19922GB/T17626.2-1998靜電放電抗擾度試驗IEC61000-4-2:19953GB/T17626.3-1998射頻電磁場輻射抗擾度試驗IEC61000-4-3:19954GB/T17626.4-1998電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗IEC61000-4-4:19955GB/T17626.5-1999浪涌（沖擊）抗擾度試驗IEC61000-4-5:19956GB/T17626.6-1998射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗IEC61000-4-6:19967GB/T17626.7-1998供電系統(tǒng)及所連設備諧波、諧波間的測量和測量儀器導則IEC61000-4-7:19918GB/T17626.8-1998工頻磁場抗擾度試驗IEC61000-4-8:19939GB/T17626.9-1998脈沖磁場抗擾度試驗IEC61000-4-9:199310GB/T17626.10-1998阻尼振蕩磁場抗擾度試驗IEC61000-4-10:199311GB/T17626.11-1999電壓暫降、短時中斷和電壓變化IEC61000-4-11:199412GB/T17626.12-1998振蕩波抗擾度試驗IEC61000-4-12:19942021/8/23113可修改歡迎下載精品課件

與智能電器有密切關系的4種干擾:①靜電放電

②電快速瞬變脈沖群

③電流/電壓浪涌

④電源電壓跌落和短時中斷

2021/8/23114可修改歡迎下載精品課件6.3.1靜電放電抗擾度試驗標準和方法靜電放電是帶靜電電荷的相鄰物體通過接觸或輻射的方式放電。靜電放電電流，尤其是接觸式放電電流會產生短暫但很強的電磁場干擾，引起電氣、電子設備的工作故障甚至損壞。靜電放電抗擾度試驗的目的:

檢驗電氣、電子產品承受靜電放電干擾的性能。2021/8/23115可修改歡迎下載精品課件6.3.2電快速瞬變脈沖群（EFT）抗擾度試驗

1、試驗目的評定被試設備承受這類干擾的水平。

2、干擾方式與耦合路徑主要以共模方式作用于裝置的電源端口、專用二次電流/電壓互感器端口、模擬量輸入通道、通信端口和開關量輸入/輸出端口，通過傳導和輻射進入設備內部電路。2021/8/23116可修改歡迎下載精品