電磁兼容-瞬態(tài)教材

第七章

瞬態(tài)脈沖干擾的抑制

江濱浩瞬態(tài)干擾對設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端口浪涌靜電放電

瞬態(tài)干擾：時間很短，頻譜寬，幅度大的電磁干擾。

常見的瞬態(tài)干擾：電快速脈沖、浪涌、靜電放電在電氣和機電設備中常見的一種瞬態(tài)干擾是由繼電器、馬達、變壓器等電感器件和開關動作產(chǎn)生的。一般這些器件構成系統(tǒng)的一部分，因此干擾往往在系統(tǒng)內部產(chǎn)生。設計人員對此應給予足夠的重視。電感性負載感性負載斷開時產(chǎn)生的干擾VLVLt電源回路中的電流（電壓）I0VdcC特點：脈沖串根據(jù)楞次定律，當開關斷開時，電感上的電流不能突然消失，電感上會產(chǎn)生一個很高的反電動勢，E=d/dt=-L(di/dt)

這個反電動勢向電感的寄生電容C反向充電。隨著充電電壓的升高，觸點上的電壓也升高，當達到一定程度時，將觸點擊穿，形成導電通路，電容C開始放電，電壓開始下降，當電壓降到維持觸點空氣導通的電壓以下時，通路斷開，又重復上面的過程。這種過程一直重復到由于觸點之間的距離增加，電容上的電壓不能擊穿觸點為止。當電容不能通過擊穿觸點放電時，就通過電感回路放電，直到電感中的能量耗盡為止。I0VdcCt電源回路中的電流（電壓）瞬態(tài)干擾產(chǎn)生的機理兩種觸點擊穿導通機理氣隙上的電壓擊穿電壓維持電壓320V0.08mm接觸點距離輝光放電氣體電離氣體電離自持放電輝光放電起輝電壓：。維持電壓：維持電壓與觸點的距離無關，在空氣中大約為300V。需要一個最小電流，通常為幾個mA。陽極(+)陰極(－)電子流弧光放電金屬氣化金屬氣體橋－弧光放電。維持電壓一般為10－30V，維持電流一般為1A。當電壓或電流不滿足這個條件時，弧光放電就終止了。氣體金屬橋上的電流由電路電阻和電源電壓決定。擊穿電壓維持電壓30V接觸點距離

隨著觸點的距離越來越遠，擊穿觸點需要的電壓越來越高，因此電容上的電壓越來越高。隨著擊穿觸點需要的電壓越來越高，電容充電的時間越來越長，因此震蕩波形的頻率越來越低。電容C每次擊穿觸點向電源回路反向放電時，會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，從而對共用這個電源的其它電路造成影響。電源回路中的電流tI0VdcC靜電放電現(xiàn)象＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放電電流I1ns100nsIt特點：頻率范圍寬當一個帶電物體接近一個接地導體時，帶電物體上的電荷會通過接地導體泄放，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，帶寬達到300MHz。靜電的產(chǎn)生：接觸分離起電，摩擦起電ESD對電路工作影響的機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

靜電放電耦合通路有：直接傳導、電容耦合、電感耦合等三種。直接傳導，電容耦合和電感耦合：金屬機箱或電纜上的靜電放電電流產(chǎn)生的電磁場通過寄生電容或電感耦合進敏感電路。靜電放電對設備造成的損害有三種：硬損壞、軟損壞和數(shù)據(jù)錯誤。說明：在進行靜電放電試驗時，會發(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：帶電體幾乎接觸上接地導體時才發(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：帶電體接近接地導體時，兩者之間的電壓導致氣體電離，發(fā)生輝光放電，放電電流脈沖的上升沿較長，所占頻帶較窄。電壓很高時：雖然也會有輝光放電發(fā)生，但是會發(fā)生多次放電。在每個多次放電序列中，會有一個以上的低電壓放電，這會導致快速上升時間和高峰值電流，產(chǎn)生嚴重的問題。浪涌產(chǎn)生的原因一般小于75kA最大可達300kA導體周圍產(chǎn)生強磁場I特點：能量大浪涌主要是由雷電在電纜上感應產(chǎn)生的，功率很大的開關也能產(chǎn)生。浪涌的特點是能量很大，室內的浪涌電壓幅度可達到6kV，室外會超過10kV。浪涌雖然不象EFT那么普遍，但是一旦發(fā)生危害是十分嚴重的，往往導致電路的損壞

直接雷、感應雷瞬態(tài)干擾的頻譜A0.5A

2A1/

1/tr時間頻率瞬態(tài)類型tr1/1/trA2AEFT5ns50ns6.4MHz64MHz4kV0.4V/MHzESD1ns30ns10MHz320MHz30A1.8A/MHz浪涌1.2s50s6.3kHz265kHz4kV0.4V/MHz瞬態(tài)干擾抑制原理低通濾波器：截止頻率小于1/

分壓法：電阻電感電容分流法：壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管電容＋電阻對策浪涌抑制器件壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管低通濾波器上策下策并用浪涌注入端被保護電路端

抑制高頻差模干擾電路結構浪涌注入端被保護電路端浪涌注入端被保護電路端濾波器與瞬態(tài)抑制器共用濾波器的電路結構RLRLRCL消除感性負載干擾低通濾波器對脈沖干擾的抑制AfILf+fCOfCOAf輸入脈沖頻譜濾波器特性輸出脈沖頻譜2VIPd2VIPd相當于脈沖的上升時間和脈寬變大，而幅度沒有減小。Fco<1/

Parseval定律：時域中的能量等于頻域中的能量：

00V2(f)df=V2(t)dt

fco00(2VIN

)2df=V2OUTdt

out=1/fco(2VIN

)2fco=V2OUT/

fcoVout

/V

in

=2

fco

outfco

outVout和Vin分別為輸出和輸入濾波器的脈沖峰值CS106對濾波器的要求若：

fCO=0.01則：VOUT/VIN

0.04因為：VOUT/VIN=

2

fco

=

3.54fco

400V16V200V8V100V4V=10s

fco=1kHz=5s

fco=2kHz=0.15s

fco=66kHz低通濾波器對瞬態(tài)干擾的抑制VOUT/VIN-10-20-30-40

fCO1/2

0.10.010.0010VOUT/VIN=

2

fco

低通濾波器抑制脈沖的效果低通濾波器

可見，脈沖越窄，抑制效果越好。消除感性負載干擾RCLRLRL阻尼電路參數(shù)確定R:越大，開關閉合時限流作用越好越小，開關斷開時反充電壓越小V/Ia<R<RL折衷C:由于沒有弧光，L中的能量全部進入C，VC=I(L/C)1/2為了防止發(fā)生輝光，VC<300VC>(I/300)2L為了防止發(fā)生弧光，電容充電速率要小于1V/s，C>10-6I瞬態(tài)干擾抑制器件瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)干擾氣體放電管壓敏電阻VIVIVI

基于氣體放電機理的——氣體放電管。基于非線性電阻特性的——壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。共同特點是，當器件上的電壓超過一定值時，器件的電阻變得很低，從而將干擾能量泄放掉瞬態(tài)干擾抑制器件

1000浪涌電壓壓敏電阻瞬態(tài)抑制二極管氣體放電管220500鉗位電壓較高電流容量不大有殘留尖峰和跟隨電流瞬態(tài)注入端被保護電路端壓敏電阻：特點：峰值電流承受能力較大，價格低。缺點：鉗位電壓較高，隨著受到浪涌沖擊的次數(shù)增加，漏電增加，響應時間較長。瞬態(tài)抑制二極管（TVS）：

特點：響應時間短，鉗位電壓低（相對于工作電壓）。缺點：承受峰值電流較小。氣體放電管：

特點：承受電流大，。缺點：響應時間長，由于導通維持電壓很低，因此會有跟隨電流，不能在直流環(huán)境中使用（放電管不能斷），有殘留尖峰。說明：浪涌抑制器件的失效模式一般為短路。這個特點一方面為電路保護提供了安全保障，不會發(fā)生器件失效。同時，也有可能造成電路工作的中斷。氣體放電管殘留尖峰時間電壓跟隨電流通常與瞬態(tài)二級管串聯(lián)合用：有沒有跟隨電流沒有漏電流鉗位電壓低作用在開關電源上的浪涌開關電源等效電路6kV,3kA1.250s浪涌波形020406080100s0426kV0321kA浪涌電壓電源上電壓流進電源的電流浪涌抑制器件的保護作用開關電源等效電路6kV,3kA1.250s浪涌波形020406080100s0426kV0321kA浪涌電壓抑制后的電壓流進電源的電流流進抑制器的電流大部分電流流進了電源TVS增容問題RR1M

1M

不行可以最好地線反彈與對策若電流為5kA，地線阻抗為0.5

，則反彈電壓達到2500V!

較高的浪涌電壓依然加在設備與地線上。

再并聯(lián)一個抑制器VGVZ+

VGVZ設備VGVZ設備靜電放電現(xiàn)象＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放電電流I1ns100nsIt510151234電場kV/m磁場A/m51015時間ns10cm20cm50cmESD對電路工作影響的機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ESD產(chǎn)生的電磁場5