《智能电器》第六章

第六章智能电器监控器的电磁兼容性设计主要内容电磁兼容概述智能电器监控器的电磁兼容性设计问题智能电器监控器的EMI测试标准和方法电子产品电磁兼容性设计是保证其可靠安全运行的重要措施之一。随着工业化的高度发展，电磁污染已经严重地影响到各类电子产品的安全可靠运行，电磁兼容性已成为衡量电子产品是否合格的重要指标。智能电器运行于各种电压等级和不同工作电流的现场环境，其监控器将受到电力系统及其用电负载运行时产生的各种电磁干扰。这些干扰不仅影响监控器的正常工作，严重时还将损坏监控器，造成智能电器一次开关操作失误，极大地影响被监控和保护对象的安全可靠运行。提高智能电器电磁兼容性是保证智能电器工作性能和可靠运行的重要措施之一，也是智能电器监控器设计中的一个关键问题。6.1电磁兼容概述按IEC标准，电磁兼容（ElectromagneticCompatibility,EMC）是指在有限空间、有限时间、有限频谱资源条件下的各种用电设备可以共存，不使设备可靠性、安全性降低的性能。电子产品的电磁兼容性包括两方面内容：①产品抵抗外部电磁干扰，保持正常工作的能力（抗扰性）。②自身工作时不对其他电子产品造成干扰的性能（干扰抑制）。对于EMC这一概念，作为一门学科，它称为“电磁兼容”，而作为一个设备或系统的电磁兼容能力，则称为“电磁兼容性”。6.1.1电磁兼容基本概念主要讨论常用的基本术语、基本的干扰来源、耦合途径和干扰模型。1.基本术语（1）电磁干扰（EMI）破坏性电磁能通过辐射或传导在电子设备间传播的过程。（2）电磁敏感度（Electromagneticsceptibility,EMS）设备或系统受电磁干扰使工作中断甚至被破坏的评价指标。（3）自兼容性设备内部数字部分对模拟部分的干扰、导线间的串扰和造成数字电路工作紊乱的内部因素及其抑制能力。（4）抗扰性设备抵抗空间电磁干扰（辐射干扰）和通过传输电缆、输电线及I/O连接器的电磁干扰的能力。（5）抑制（Suppression）采用某些特殊方法消除或减少存在的射频能量。（6）密封（Containment）采用金属封套或涂有射频导电漆的塑料外壳，屏蔽电磁能量进入设备或从设备泄漏。2．设计中常见的电磁干扰类型（1）射频干扰各类无线通信设备对电子产品工作的干扰。典型的设备故障出现在场强为1～10V/m的范围内。（2）电力干扰电力线电磁场、电流电压浪涌、电压闪变、电力线谐波等产生的电磁干扰。（3）静电放电不同静电电位的物体因靠近或接触发生的电荷转移。一般定义边沿变化小于1ns的高频放电有接触式和辐射式两种。接触式放电造成设备永久损坏或潜在隐患；辐射式放电只影响设备工作，不会造成永久性破坏。3.简单的电磁干扰模型1）简单电磁干扰模型的3个要素：（1）干扰源能发出一定能量的干扰信号的设备。（2）接收器能接收干扰源能量并受其影响，使工作发生紊乱的器件和设备。（3）耦合路径干扰源和接收器之间传输电磁干扰能量的路径。2）干扰模型4．系统级和PCB级的EMI电子产品的EMC设计需考虑系统（整机）和内部PCB（印制电路板）两个层面，并针对产生干扰的原因，采取抑制措施。1）系统级EMI产生的原因和抑制系统级EMI就是整机受到的电磁干扰。（1）引起系统级干扰的主要因素：①产品封装措施不当。②产品整体设计不合理，制造质量不高，电缆与电气接头接地不可靠。③PCB布局错误，如信号走线布局和多层板分层不恰当、共模和差模信号滤波器设计不正确、旁路和去耦不足，板上有接地环路等。（2）主要抑制措施①采取合适的方法保证产品良好的屏蔽。②合理可靠的接地和旁路设计。③选用合适的线路滤波器。④保证产品各部分可靠的电气隔离。⑤正确设计各部分间的连线和PCB布线并控制其阻抗等。2）PCB的电磁干扰模型干扰主要是频率范围10kHz～100MHz的射频信号。（1）干扰源时钟振荡电路、塑封IC芯片、不正确的布线、匹配不当的阻抗、内部电缆连接器。（2）传播路径互连电缆和自由空间等承载射频能量的媒质。（3）接收器PCB上的元件、信号传输线、电源线。（4）产品电磁兼容性设计的主要内容①减小自身对外的电磁干扰能量，降低干扰源电压和传播效率。②减小进入本体的外界电磁干扰能量，降低自身的电磁敏感度或提高自身的抗扰能力。5．电磁干扰的耦合从干扰源到接收器，电磁干扰可以有不同的耦合路径，每种路径又有不同的传输机制。1）耦合路径①干扰源到接收器的直接辐射；②干扰源对接收器信号I/O电缆的辐射。③通过信号I/O电缆或AC干线辐射到接收器。④通过普通电力线或信号I/O电缆传播。电磁干扰的耦合路径示意图2）耦合路径的传输机制每种耦合路径都有传导和辐射两种机制，就是通常所指的“路”和“场”的偶合方式，也称为传导耦合与电磁场耦合。传导耦合通过噪声源与接收器间连线的公共阻抗产生；电磁场耦合是电场和磁场两种耦合机制的综合。电磁场耦合机制的原理图频率越高，场的影响越大；频率越低，通过路传导的EMI效率越高。实际上，对于任何采用数字信号工作的电子电路，通过路和场耦合的干扰总是同时存在的。磁场耦合电场耦合6.1.2电子产品中电磁发射和磁场干扰的抑制1、产品中电磁发射和磁场干扰的产生机理①电磁发射各种数字电路芯片和高频模拟电路芯片运行过程中，因PCB走线或产品各部分连线的设计不合理而产生天线效应，发出电磁波引起的射频干扰。当电磁波能量达到一定值时，将会影响周围电子设备和自身的正常工作。②磁场干扰产品内部的电源线和高频工作的电感性元件工作时产生的磁场通过辐射方式干扰产品运行，造成的工作紊乱。了解电磁发射和磁场干扰的抑制方法，对产品电磁兼容性设计十分重要。2、电子产品的电磁发射及其抑制在电子设备中，数字电路芯片端口信号跳变沿的频率可达数百兆赫兹，有些模拟电路信号频率达到兆赫兹以上，这些数字或模拟信号都可能通过导线传导干扰或向空中幅射干扰，影响电子设备自身并干扰其他电子设备。1）抑制电磁发射的基本措施（1）降低干扰信号的能量①在不影响产品整体工作性能的前提下，减小数字信号的跳变速率或降低数字信号的传输速度。②采用贴片元件，缩短高频工作芯片的外引脚，减小传输高频信号走线的长度，可抑制天线效应，减少高频信号幅射能量。（2）隔离干扰信号的传播途径最简单有效的隔离方法是屏蔽，常用的屏蔽有3个层面。①采用导磁金属材料外壳封装，外壳可靠接地（大地）。②容易产生高频幅射的局部电路或IC芯片加金属屏蔽罩，屏蔽罩接信号地。③电路板中传输高速数字信号或高频模拟信号的走线两侧敷铜并接信号地，实现与其他信号线的隔离。（3）滤波①直接在电路芯片电源引脚间接入去耦电容或去耦电阻电容，滤除通过电源走线进入芯片的高频干扰信号。②在产品交流220V电源输入端设置电源滤波器，防止产品工作时产生的高频干扰进入电网。3、电磁能量的干扰机理及其抑制1）干扰来源①大电流或高频导线（或铜排）中流过电流时，在导线周围产生的磁场。②开关电源的高频变压器及一切电感元件在工作时必然产生的漏磁通。2）干扰机理①上述磁通穿过芯片或敏感电路模块，半导体中的带电粒子（电子和空穴）在磁场中受到洛伦兹力，偏离原来的运动方向，使芯片和模块的工作电流波形受磁场变化的调制而发生畸变，导致这些芯片或电路模块的正常工作受到干扰。②信号电流总是在闭合回路中流动。当外部干扰磁通穿越闭合回路包围的面积时，会在闭合回路中感应电流，同样会造成电流波形畸变。3）抑制措施①屏蔽干扰磁场。②减小信号电流的回路面积。（1）屏蔽方法最常用的抑制磁场辐射干扰的措施是采用导电或导磁材料屏蔽。①变化的干扰磁通穿过导电材料（如薄铜皮）时，会在其中产生涡流，并生成方向相反的磁通，可以削弱穿过导电屏蔽层的干扰磁通。②高频变压器磁心外包一层形成短路环的薄铜皮，可有效抑制变压器漏磁通外泄。③用导磁材料（铁板或钢板）做设备的机箱，是整机磁屏蔽的常用方法。这种方法不仅可以抵抗外部干扰磁通进入电子设备，而且能避免内部磁通外泄。屏蔽材料导磁性越好，板越厚，机箱不易发生磁饱和，屏蔽效果也越好。（2）减小信号电流回路包围面积的措施减小信号电流回路面积的目的是减少穿越其中的干扰磁通。常用措施：①采用双绞线，使信号电流的去线和回线紧密绞合，可以缩小回路包围的面积。②用屏蔽线做外部引入的信号线。使用时将心线作为信号电流去线，铜丝编织的屏蔽层作为信号电流的回线，必须单端接信号地。这种方法的回路面积小于双绞线，屏蔽层还能实现磁场屏蔽。③在保证绝缘安全的前提下，PCB中的信号线与地线尽量靠近以缩小信号电流回路包围的面积。④选用PCB上的IC芯片和电路模块时，在保证电路功能的条件下，应尽量选用电源进线引脚和零伏线引脚靠近的封装⑤PCB设计时，在确保绝缘安全的前提下，使电源线和零伏线靠近布置。6.1.3差模干扰和共模干扰差模干扰DMI（DifferenceModeInterference）和共模干扰CMI（CommonModeInterference）都是传导干扰。产品工作环境的电磁干扰、PCB板上各种走线布置、进线和回线自身及其对接地机壳阻抗不完全一致，在交流电源输入端和工作信号输入端会存在共模电压和差模电压，并在传输导线中产生相应的电流。共模电压在电源或信号的进线和回线中产生的干扰电流方向相同，而差模电压产生的电流方向相反。共模电流和差模电流不仅干扰电源和信号的电流波形，还产生磁场辐射，影响PCB的正常工作。差模电流共模电流1、差模干扰的抑制差模电压出现在电源或信号传输的进线和回线间，在进线和回线中的差模电流方向相反，产生方向相反的磁场。只要使进线和回线近距离平行走线，差模电流产生的磁场就可以相互抵消，减小干扰。2、共模干扰的抑制共模电压存在于电源或信号的进线和回线与接地金属外壳之间，使得在进线和回线中共模电流的方向相同，产生的磁场方向相同，相互叠加。共模干扰不能简单地通过布线来减小，最有效的措施是使共模电压为零。常用的方法是灵敏接地。3、系统级共模和差模干扰的抑制系统级共模和差模干扰是指由产品外部干扰产生的共模/差模电压/电流导致的干扰。当前采用最多、最有效的减少系统级共模和差模干扰的方法，是在产品的交流电源入口端接入适当的线路滤波器，可以有效地隔离外部共模和差模电压及其产生的电流。6.2.1监控器受到的主要干扰1、低频干扰造成低频干扰的因素：①高、中、低电压电网中的谐波干扰，一般应考虑到40次谐波（2000Hz）。②电网电压跌落和短时中断。③电网三相电压不平衡和电网频率变化引起的干扰。2、高频干扰①20kHz以上的电压浪涌和50kHz以上的电流浪涌与电网中的开关电器操作，变压器、电动机及继电器等感性负载的投切和雷击、线路或负载短路等因素有关。②快速瞬变脉冲群干扰电器元件器接点弹跳、真空断路器操作时电弧电压不稳定引起。3、静电放电干扰来自雷电、操作者和邻近物体对设备的放电。4、磁场干扰①工频电流或变压器磁场泄漏产生的工频磁场干扰。②由雷电或大功率电力电子装置运行引起的脉冲磁场干扰。6.2.2监控器的系统级电磁兼容性设计系统级EMC设计的目的是减小监控器整体对低频干扰、高频干扰、静电放电和磁场干扰的灵敏度，提高监控器对这些干扰的抵抗能力。1.静电放电干扰的抑制1）静电放电分类直接耦合造成设备永久损坏。辐射耦合影响监控器正常工作。2）抑制方法静电干扰最有效的抑制方法是让监控单元屏蔽外壳良好接地（大地）。3）操作措施把监控单元用的开关电源金属外壳与单元本体的屏蔽外壳可靠连接，同时把单元本体的屏蔽外壳直接接地。2.减小电网电压跌落和短暂中断的影响（1）采用具有宽输入电压范围并带有储能电感和电容的开关电源为监控器供电。（2）增设对电源供电质量的监视，在电源电压跌落到极限值后，监控器报警并闭锁一些服务功能。（3）设置备用电源。3.滤除快速瞬变脉冲群的干扰(1)干扰来源监控单元输出继电器接点弹跳；一次真空断路器操作时电弧不稳定。(2)特点单个脉冲上升时间快，持续时间短，能量低，重复频率较高。一般脉冲周期在50μs以内，脉冲群重复率1~100次/s、尖峰电压200~3000V。这种干扰会通过电源、模拟通道、二次采样互感器影响监控器工作。（