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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（Electromagnetic Compatibility, 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： 产品抵抗外部电磁干扰，保持正常工作的能力（ 抗扰性）。,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（Electromagnetic sceptibility, 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110 V/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1 ns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： 产品封装措施不当。, 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。 PCB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 采取合适的方法保证产品良好的屏蔽。, 合理可靠的接地和旁路设计。 选用合适的线路滤波器。 保证产品各部分可靠的电气隔离。 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10 kHz100 MHz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 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。 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 干扰源到接收器的直接辐射； 干扰源对接收器信号I/O电缆的辐射。, 通过信号I/O电缆或AC干线辐射到接收器。 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 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。,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 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。 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。 采用导磁金属材料外壳封装，外壳可靠接地（大地）。 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。,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 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。, 在产品交流220 V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 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。, 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 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。, 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 屏蔽干扰磁场。 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。 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。 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。, 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： 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。 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。, 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。 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 PCB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（Difference Mode Interference ）和共模干扰 CMI （Common Mode Interference）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： 高、中、低电压电网中的谐波干扰，一般应考虑到40次谐波（2000Hz）。 电网电压跌落和短时中断。 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 20kHz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。 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 工频电流或变压器磁场泄漏产生的工频磁场干扰。 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50s以内，脉冲群重复率1100次/s、尖峰电压2003000V。,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。 （3）应对措施 设置电源线路滤波器 脉冲群干扰信号容易从电源线进入监控器内部，通过辐射或传导耦合的方式干扰内部工作信号或影响电路元件工作。,解决方案： 在供电电源的交流输入端接入高品质的无源线路滤波器，将干扰信号阻隔在智能监控器的外部。 线路滤波器应同时考虑抑制共模干扰和差模干扰。差模干扰（Vcd）常产生在相间和相与中线之间；共模干扰（Vcm）常出现在电源线与地线之间。,线路滤波器的基本结构, 消除模拟量输入通道的干扰 快速瞬变脉冲群可通过二次（采样用）互感器对模拟量输入通道产生共模和差模干扰。 两种抑制措施： 监控器专用采样互感器二次侧加入LC组成的型低通滤波器。滤波器设计应保证对基波基本无影响，幅度衰减为零，相移小于0.3。,监控器模拟量输入通道线路中接入高频磁环，以不同的接线方式分别抑制差模和共模干扰。 用瞬态电压抑制器（TVS）吸收过电压能量 瞬变脉冲群电压以传导或辐射方式干扰监控器工作的直流电源，会使PCB电路中的芯片和元件因承受超过其允许工作电压的脉冲电压而损坏。,应对措施： 在电源模块输出直流侧并联瞬态电压抑制器（TVS）吸收过电压能量。TVS击穿电压按监控器直流电源电压选择，最大峰值脉冲功耗由可能加在电源上过电压能量的最大值决定。 装设去耦电容 每个芯片的电源和零线之间再加一级去耦电容，进一步消除由电源线窜入的干扰通过耦合方式影响PCB板上的信号线。,4. 电压、电流浪涌的吸收 常见的浪涌分雷电浪涌电流和开关操作浪涌电压。 (1)特点 基本上是单极性脉冲或迅速衰减的振荡波，持续时间较长。单极性脉冲上升比较缓慢但能量大。,(2) 危害方式 通过传导和辐射进入监控器内部，造成电路芯片、元件甚至整机的损坏。 (3) 主要应对措施 在电源模块的交流输入侧线路滤波器前和输出直流侧并接过压抑制器。常用元件有压敏电阻、气体放电管和瞬态电压抑制器（TVS）。,1）压敏电阻 是一种非线性、箝压型电阻元件，用于吸收开关操作、雷击引起的电源线路中的浪涌能量，抑制被保护线路的过电压。 电路符号与伏-安特性,（1）使用特点 能吸收很大的浪涌电能量，但不能承受毫安级以上的持续电流。 （2）主要选用参数 压敏电压 是压敏电阻的击穿电压（或阈值电压），指在其中通入1 mA直流电流时测到的元件两端的电压。,压敏电压选择原则： 为保证电压抑制效果和元件自身的使用寿命，实际应用中，压敏电压一般按1.5倍被保护电路电压的峰值或2.2倍电路电压有效值选择。 2）通流容量 环境温度为25，用规定的冲击电流波形对元件冲击规定的次数，其压敏电压的变化不超过10的最大脉冲电流值。,（1）通流容量的选择方法 为了压敏电阻自身工作的安全，通流容量应大于元件可能吸收的最大浪涌能量。考虑到保护效果，所选用的通流容量应更大一些，通常根据被保护对象的容量按经验选取。 （2）使用要点 用伏安特性尽可能一致的元件并联，可扩大其通流容量。, 能够吸收的浪涌能量大，但寄生电容容量大，响应时间较长，而且随着冲击次数增加，其漏电流也增加。 当前使用较多的是氧化锌（ZnO）压敏电阻。 2）气体放电管 由一对封装在玻璃管中的电极组成，使用时与被保护电路并联。,（1）气体放电管的特性 表现为开关型。 施加在电极间的电压超过极间气体间隙放电阈值时，气体间隙被击穿，呈现出近似短路的状态。 击穿的阈值电压随击穿次数增加而降低。 （2）气体放电管的使用特点 一般不在直流电路中使用。, 交流电路中被击穿后可以恢复，但会产生持续时间较长的恢复电流，可能使气体放电管损坏。因此，气体放电管必须与适当阻值的电阻串联再与被保护电路并联。 在实际应用中，气体放电管常与压敏电阻串联使用。 原理电路,这种用法可限制出现浪涌时流经气体放电管的跟随电流。同时，由于电容的旁路作用，在放电开始的瞬间，浪涌能量不直接进入压敏电阻，可减缓浪涌次数对压敏电阻漏电流增加的影响。 3）瞬态电压抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor） 是一种二极管形式的高效能保护器件，也是箝位型的电子器件。,TVS分为单极性和双极性两种，分别适用于直流和交流电路保护，使用时与被保护对象并联。 TVS的特性,（1）TVS使用特点 承受浪涌峰值电流的能力低于压敏电阻，额定的箝位电压越高，耐受浪涌峰值电流的能力越低。 在规定反向应用条件下承受一定高能量的浪涌脉冲时，其工作阻抗可在1 ps内由高阻变为低阻，使浪涌脉冲电流通过，并将电压箝制在器件规定的水平。, 承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，电压箝位时间一般为1012 s，响应时间1 ps。 环境温度TA = 25，脉冲持续时间t = 10 ms条件下，允许的正向浪涌电流可达50200 A 。 （2）应用要点 可按保护对象的实际工作电压允许的波动选择器件额定电压。, 承受浪涌峰值电流的能力较低，在实际应用中，多用于被保护装置电源模块直流输出端的过压保护。 用于被保护装置电源模块交流输入端时，一般需要与压敏电阻等大功率浪涌吸收元件配合，作为提高对浪涌响应速度的辅助元件。,6.2.3 监控器PCB的抗干扰设计 PCB是监控器的核心组成部分，包含了监控器中几乎所有的电路元件、信号和工作电源电路走线、与外部设备和交流电源的I/O连接件。它们既是干扰源也是接收器。 PCB的抗干扰设计是监控器EMC设计中最关键的环节。,1PCB与EMI 1）PCB产生电磁干扰的机理 电路中的数字信号包含的高次谐波。 高速数字IC芯片内部开关元件工作状态改变过程会产生电流突变。 无源电路元件和走线对不同的工作频率，会呈现完全不同的阻抗特性。对数字电路工作信号的高频段，电路将呈现完全不同的工作状态，造成电磁干扰。, 设计时只从单一的频率响应考虑电路元件，或只从时域特性选择元件，也有可能引起EMI。 2）导线和PCB走线 导线或PCB走线都有潜在的寄生电容和电感，影响其实际阻抗及其对频率的响应。, 导线和PCB走线在DC和低频应用中基本呈现电阻特性，在高频段则主要表现为电感。 PCB走线长度选择不当，可能使其寄生电感和被连接的电容元件对数字信号频谱中的某些频率产生谐振，成为一根辐射天线。 EMC设计中，一般要求导线或走线长度小于特定频率电磁波波长的1/20。,原因：,导线（或PCB走线）及无源电路元件的频域等效,3）无源电路元件 各种无源电路元件对高频信号都表现出不同于它们实际应有的阻抗特性。 （1）电阻 影响电阻元件潜在特性因素是频率，低频段为电阻，高频段为电感、电阻、电容的复合。,元件材料：不同材料的电阻，存在与频域相关的限制。 元件封装尺寸：电阻的封装尺寸与其寄生电容相关，在GHz频率范围内影响极大； 元件安装方式：影响PCB过电压损坏，表贴安装比引线安装更易受到静电放电 (ESD)事件的破坏。,EMC设计中应注意的问题：,（2）电容 电容器的实际特性为R-L-C串联。在工作频率低于其谐振频率时，主要表现为电容，超过谐振频率时，将呈现出电感特性而失去电容器功能。,（3）电感 感抗与频率呈线性关系。在低频段，电感可等效为电阻和电感串联，不必考虑线圈匝间、层间的寄生电容。但对于高频信号，寄生电容的影响远大于电感。 电路中电感用于阻断电流中的高频干扰。 电感对高频信号等效为L、C并联。干扰信号频率越高，电感阻抗越大，电容的阻抗越小，干扰将通过电容偶合无法隔断。, 应对措施 采用铁氧体铁心电感。 原因 铁氧体在低频时电感很小，频率超过一定值后，电感线性上升。 采用这种铁心，电感线圈绕组间的电容最小。,(4) 变压器 功能 供电、数字（或脉冲）信号隔离、I/O连接器、共模信号隔离等。 潜在电气特性 绕组匝间有分布电容，层间和原、副边之间有耦合电容。, 造成的后果 分布电容与漏感并联谐振，对电压信号频谱中接近其谐振频率的部分幅值放大，造成信号畸变和干扰。 耦合电容的耦合度随信号频率增加而增加，对快速闪变、ESD、雷电等高频信号失去隔离作用。,（5）小结 PCB中产生EMI的根本原因： PCB电路工作时的时变电流 电流通过导线将产生磁场，而磁场穿过闭合回路时又会产生电场，从而引起EMI。 时钟和数字信号电流中的高频谐波 走线和无源元件对高频谐波呈现的不同阻抗特性，对电路的工作产生不同的影响。, 数字电路与模拟电路分开布置，分开供电 ； 尽量加宽板上电源线和地线的线宽，以减小传导阻抗造成的各芯片间的电位差； 强电区域与弱电区域严格分离。除电源必须隔离外，还应保证强电连线与弱电的连线之间最小距离不小于0.8cm，以减少串音耦合的干扰；,4）数字IC芯片 智能电器监控器PCB上的IC芯片大多是数字电路，它们工作时每一个逻辑状态变化都会产生一次瞬时尖峰电流浪涌，引起接地噪声。 通常这种噪声没有足够的能量，不会对PCB工作造成功能性影响。若逻辑信号的边沿速率非常高，这种尖峰电流将会影响PCB工作性能。,（1）数字 IC芯片对PCB工作影响 边沿速率 边沿速率指每纳秒信号电压或电流上升或下降的幅度，单位为V/ns或A/ns。它反映了元件工作状态的切换速度，与元件的传输延时无关。 通常边沿速率都高于传输延时。但是元件速度越高，其边沿速率必然越高。,边沿速率对电路工作的影响 产生宽频率范围的射频能量； 信号波形畸变。 例如，一个边沿时间为1 ns的5 MHz信号产生的射频能量，远大于边沿时间4 ns，频率为100 MHz信号产生的射频能量。,抑制边沿速率过高产生射频干扰的措施： 在保证满足设计功能和信号传送质量的要求的前提下，尽可能选用速率较低的元件。 不用比功能要求或电路实际要求速率更高的元件，是数字电路设计的基本思路。 在不降低工作频率和信号传输质量的条件下，降低时钟脉冲信号的边沿速率。, 逻辑元件工作状态的改变 逻辑元件状态改变时的瞬态涌流是射频能量的主要来源。 产生瞬态涌流的一个原因是元件输出级的互补或推挽晶体管对的工作状态变化需要时间，在元件输出逻辑状态发生改变时，晶体管对在瞬间会同时导通，造成电源短路，产生电压瞬间跌落。,在PCB布线中产生干扰的机理： PCB中存在元件负载的分布电容和线路的对地电容，当元件输出电压状态改变时，电源需要提供的电流远大于静态电流。电流大小为,其中，C为负载分布电容与线路对地电容的总和。对于单层板，C为0.20.3pF/cm，多层板一般为0.12pF/cm。 电压的瞬间跌落和电流的瞬态浪涌不仅通过传导干扰PCB的工作，而且是产生影响PCB工作性能的射频能量的主要因素之一。, 元件封装与EMI 元件封装对PCB的EMI影响主要是由引线电感和引线间的电容产生的。 电感包括各种IC元件和电容、电阻等无源元件的内部引线电感，元件到PCB连线电感。 电容指IC元件引线间的耦合电容。,元件封装主要影响： 管芯到基座的引线长度 元件电源引脚的位置 管芯的环形面积 元件安装到PCB上的方式 减小元件封装对EMI影响的措施： 用DIP封装器件时，尽量选电源引脚在两侧中间布置的器件。,这为去耦电容在PCB底层布置提供最佳的安装位置和最短的引线，器件内部电源引线也最短。,采用表贴技术（SMT）封装的元件替代通孔安装的元件，绝对不能在产品中使用插座来安装元件。 表贴元件引脚到PCB的连线最短，电源线与地（0V）线距离最短，射频电流回路面积也最小。 SMT比DIP封装大小减小近40%，管芯与安装底座间辐射环路长度减小近64%，元件间连线长度更短。, 数字元件的零电位波动及其影响 零电位波动是指元件内部接地参考面与PCB地平面或地线间的电位波动，它不仅影响电路中元件的正常工作，也增加了PCB的辐射干扰。 造成零电位波动的基本原因： 数字元件输出端电平变化产生的瞬时浪涌电流通过连接PCB零伏平面（线）的引线电感时产生的电压。,输出驱动级只有一个FET的数字元件，当输出从高电平变成低电平时，由于其输出端对零伏平面（线）的分布电容以及负载输入端的电容产生电流瞬时浪涌，通过FET及其与零伏平面（线）连接的引脚电感放电。 输出驱动级为推挽或互补FET对的器件在状态变换瞬间同时导通产生的瞬时涌流通过接地电感。,减小PCB地电位波动的主要措施： 减小元件输出端到负载的电容，增加电阻。 使用电源和接地参考布置在芯片外引脚中间的芯片代替对角布置的芯片，正式产品最好使用SMT芯片代替PID芯片。 在电路比较复杂的情况下，采用多层板布线。 PCB布线设计时，尽可能减小输出信号线的电感，特别要注意减小芯片接电源和接地时的电感。 选择使用低电感芯片封装的元件，例如同样20引脚的芯片，采用标准DIP封装，引线长度电感为3.413.7 H，采用PLCC封装，为3.56.3 H。,2监控器设计中提高PCB抗干扰的措施 一般应从布线和选择数字电路芯片两方面分别采取相应的措施。 1）PCB布线设计的抗干扰措施 数字电路与模拟电路分开布置，尽可能分开供电。 采用双面基板时，尽量加宽板上电源进线与回线（零伏线）的线宽，减小传导阻抗造成的各芯片电源间的电位差。, PCB的强电区域与弱电区域严格分离。除供电电源必须隔离外，应保证强电走线与弱电走线间最小距离不小于0.8 cm，以减少串音耦合的干扰。 通信部分采用与中央控制模块完全隔离的独立电源供电。 与数据线联系密切的芯片尽可能集中布置，以减少总线的长度。, 减少平行走线的数量和长度，并在板面允许的情况下尽量加大线宽和线间的距离，减少信号传输线的阻抗和寄生电容。 PCB基板采用多层板。 优点： 工作电源的电源线和零伏线分别占用一层敷铜层，可减小电源线和零线的电阻、电感，抑制噪声。 电源线层和零伏线层间的电容较大，有良好的去耦通路，电源线上的干扰减小。,PCB上所有元件的电源引脚直接连接到电源线层和零线层，降低了由于电源公共阻抗导致的干扰。 此外，采用多层板布线，还可提高抗浪涌能力。 多层板布线要点： 不同层上的信号线走向应当垂直，减小平行走线引起的串扰。,电源线层和零伏线层应占有多层基板中间的相邻两层，利用两层铜箔间的耦合电容，提供去偶功能。 信号线中的高速时钟和高频数字信号线应布置在与零伏线层相邻的信号线层，减小信号回路面积及由此引起的辐射干扰。 数字IC电路，特别是采用CMOS工艺的数字IC电路，不使用的I/O引脚必须经电阻接电源或零线（上拉或下拉）。,2）数字电路IC芯片的选择 数字IC内部的晶体管或FET在其工作状态变换过程中出现的瞬时涌流会产生射频干扰，并引起零伏线的波动，影响PCB工作。 在PCB设计中，正确选择数字IC芯片是监控器EMC设计中十分重要的内容。 芯片的选择主要考虑元件的封装形式和逻辑变换时的信号跳变速度。, 尽可能采用表贴封装的IC元件，这种封装的元件电源回路面积最小，管芯与安装底座间辐射环路长度小，元件间连线长度短。可减小元件射频辐射能量，通过传导和辐射对元件的干扰也较小。 使用双列直插元件时，尽量选用电源线和零伏线临近布置的封装形式，可减小电源回路包围的面积。在产品中绝对不要通过插座来安装元件。, 在完成的功能和工作频率相同的情况下，使用变化沿较缓慢的数字IC芯片，可抑制电路工作时的辐射干扰。 提高PCB抗扰性的其他措施： 对PCB的重要控制命令的出口电路，必须采用光电耦合器隔离，同时设置封锁位，配合软件中相应的程序进行二级控制。,3监控器软件的抗干扰措施 软件是监控器完成各种功能的核心，包括全部程序和执行程序需要的数据。 1）软件被干扰的原因 存放程序代码和数据的内存单元，在电磁干扰下其内容可能会发生变化，导致程序工作紊乱，使智能电器不能正常工作。,（1）使用看门狗（Watchdog）监视程序 正常工作时，程序定时使Watchdog定时器复位。程序因干扰偏离后，Watchdog不能按时复位而产生溢出，使处理器件复位，程序将重新开始执行，恢复正常工作。 为保证程序偏离前的主要信息不丢失，硬件中必须配置非易失性RAM，并在程序中把关键数据及时拷贝到非易失性RAM中。,2）主要应对措施：,（2）软件陷阱和指令冗余 指令冗余 在长、短调用，有条件和无条件的长、短转移等决定程序流向的指令前插入空操作指令，或在各程序模块间无代码的ROM空间设置单字节的空操作、重起动等指令。 软件陷阱 设计一个专门的出错处理程序模块，在程序因干扰发生错误时，把程序引导到出错处理程序。,（3）无扰动的重恢复技术 包括4方面的内容: 复位后的初始化分冷启动和热启动，分别设置上电标志。 冷起动指正常的上电复位起动，热起动是程序出现错误时，由Watchdog或复位指令、出错处理程序等引起的复位起动。,两种情况对处理器件和I/O接口电路进行不同初始化。 冷起动 全面初始化。 热起动 部分I/O接口重新初始化， 并恢复部分关键数据。,采用容错技术对数据进行有效的保护 软件设计时，在不同的数据存储器空间设置重要数据的保护存储单元，备份软件中所有的标志字、部分计量数据、故障状态、开关状态及重要事件发生时间等重要信息。 需要长时间保护的数据，应在数据存储区设立非易失性存储单元，保证掉电时数据不丢失。,3）软件模块设置功能和任务标志 对每个功能模块和任务模块设置标志字，程序模块或任务入口必须判断标志字正确后才执行。 4）上电复位或再复位后，程序入口处应当锁定一些重要的硬件出口，在初始化后智能监控器能正常工作时再解除封锁。,6.3 智能电器监控器的EMI测试标准和方法 作为一种标准的工业电子设备，智能电器的电磁兼容测试基础性标准是IEC下设的“电气设备电磁兼容设计委员会”IEC/TC77制定的IEC610004X抗扰度标准。 IEC610004X规范的抗扰度试验有低频干扰、传导性质的瞬变及高频干扰、静电放电干扰、磁场干扰、电场干扰等几类。,电气电子产品抗扰度测试国家标准与IEC610004X对照表,与智能电器有密切关系的4种干扰: 静电放电 电快速瞬变脉冲群 电流/电压浪涌 电源电压跌落和短时中断,6.3.1 静电放电抗扰度试验标准和方法 静电放电是带静电电荷的相邻物体通过接触或辐射的方式放电。 静电放电电流，尤其是接触式放电电流会产生短暂但很强的电磁场干扰，引起电气、电子设备的工作故障甚至损坏。 静电放电抗扰度试验的目的: 检验电气、电子产品承受静电放电干扰的性能。,6.3.2 电快速瞬变脉冲群（EFT）抗扰度试验 1、试验目的 评定被试设备承受这类干扰的水平。 2、干扰方式与耦合路径 主要以共模方式作用于装置的电源端口、专用二次电流/电压互感器端口、模拟量输入通道、通信端口和开关量输入/输出端口，通过传导和辐射进入设备内部电路。,6.3.3 浪涌（冲击）抗扰度试验 浪涌包括电压浪涌和电流浪涌。 特点：具有较高的能量，容易引起电子器件烧毁，通信设备破坏以及网络异常等故障。,6.3.4 电压跌落、短时中断和电压变化抗扰度试验 电压跌落、短时中断和电压变化是连接在低压电网上的电气、电子设备最易受到的干扰之一。,6.4 本章小结 智能电器监控器工作在复杂的电磁环境中，会受到各种电磁干扰。作为一种数字控制设备，监控器工作时其电路元件产生的射频干扰不仅影响自身的工作性能，也会干扰同一应用系统中邻近的监控器工作。 电磁兼容性设计是智能电器监控器产品设计中十分重要的内容，也是产品能够投入市场并进入电网运行的关键。,针对智能电器监控器承受和产生的电磁干扰特点，本章主要讨论了以下内容： 1.说明了电磁兼容性的基本概念、电磁干扰的耦合方式和形成机理。 2.介绍了智能电器监控器受到的主要干扰及其产生的原因和特点。 3.分析了监控器系统级和PCB级EMC设计的基本方法。,4.给出了电器电子设备EMI测试的IEC标准和对应的我国国家标准，并针对影响智能电器最严重的4种干扰，说明了标准规范的干扰源参数和试验方法。,