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1、第六章第六章 智能电器监控器的电磁智能电器监控器的电磁兼容性设计兼容性设计主要内容主要内容n n电磁兼容概述电磁兼容概述n n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电磁兼容性设计问题n n智能电器监控器的智能电器监控器的EMI测试标准和方法测试标准和方法 电子产品电磁兼容性设计是保证其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，到各类电子产品的安全可靠运行，电磁兼电磁兼容性已成为衡量电子产品是否合格的重要容性已成为衡量电子产
2、品是否合格的重要指标指标。智能电器运行于各种电压等级和不同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力系统及其用电负载运行时产生的各种电磁干扰。磁干扰。这些干扰不仅影响监控器的正常工作，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。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
3、施之一，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也是智能电器监控器设计中的一个关键问题。题。6.1 电磁兼容概述电磁兼容概述 按按IEC标准，电磁兼容标准，电磁兼容（Electromagnetic Compatibility,EMC）是）是指在指在有限空间有限空间、有限时间有限时间、有限频谱有限频谱资源条资源条件下的件下的各种用电设备可以共存各种用电设备可以共存，不使设备可不使设备可靠性、安全性降低靠性、安全性降低的性能。的性能。电子产品的电磁兼容性包括两方面内容：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，保持正常工产品抵抗外部电磁干扰，保持正
4、常工作的能力（作的能力（抗扰性抗扰性）。）。自身工作时不对其他电子产品造成干自身工作时不对其他电子产品造成干扰的性能（扰的性能（干扰抑制干扰抑制）。）。对于对于EMC这一概念，作为一门学科，它这一概念，作为一门学科，它称为称为“电磁兼容电磁兼容”，而作为一个设备或系统的，而作为一个设备或系统的电磁兼容能力，则称为电磁兼容能力，则称为“电磁兼容性电磁兼容性”。6.1.1 电磁兼容基本概念电磁兼容基本概念 主主要要讨讨论论常常用用的的基基本本术术语语、基基本本的的干干扰扰来来源、耦合途径和干扰模型。源、耦合途径和干扰模型。1.基本术语基本术语 （1 1）电磁干扰电磁干扰（EMI）破坏性电磁能通过辐
5、射或传导在电子设备破坏性电磁能通过辐射或传导在电子设备间传播的过程。间传播的过程。（2）电磁敏感度电磁敏感度（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。破坏的评价指标。（3）自兼容性自兼容性 设备内部数字部分对模拟部分的干扰、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导线间的串扰和造成数字电路工作紊乱的的内部因素及其抑制能力内部因素及其抑制能力。（4）抗扰性抗扰性 设备抵抗空间电磁干扰（辐射干扰）设备抵抗空间电磁干扰（辐射干扰）和通过传输电缆、输电线及和通过
6、传输电缆、输电线及I/O连接器的连接器的电磁干扰的能力。电磁干扰的能力。（5）抑制抑制（Suppression）采用某些特殊方法消除或减少存在的采用某些特殊方法消除或减少存在的射频能量。射频能量。（6）密封密封（Containment）采用金属封套或涂有射频导电漆的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塑料外壳，屏蔽电磁能量进入设备或从设备泄漏。设备泄漏。2设计中常见的设计中常见的电磁干扰类型电磁干扰类型 （1）射频干扰射频干扰 各类无线通信设备对电子产品工作的干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扰。典型的设备故障出现在场强为110 V/
7、m的范围内。的范围内。（2）电力干扰电力干扰 电力线电磁场、电流电压浪涌、电压闪电力线电磁场、电流电压浪涌、电压闪变、电力线谐波等产生的电磁干扰。变、电力线谐波等产生的电磁干扰。（3 3）静电放电静电放电 不同静电电位的物体因靠近或接触发生不同静电电位的物体因靠近或接触发生的电荷转移。的电荷转移。一般定义一般定义边沿变化小于边沿变化小于1 ns的高频放电的高频放电有有 接触式和辐射式两种接触式和辐射式两种。接触式放电造成接触式放电造成设备永久损坏或潜在隐设备永久损坏或潜在隐患患；辐射式放电；辐射式放电只影响设备工作只影响设备工作，不会造成，不会造成永久性破坏。永久性破坏。3.3.简单的电磁干扰
8、模型简单的电磁干扰模型 1 1）简单电磁干扰模型的简单电磁干扰模型的3个要素：个要素：（1 1）干扰源干扰源 能发出一定能量的干扰信号的设备。能发出一定能量的干扰信号的设备。（2）接收器）接收器 能接收干扰源能量并受其影响，使工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。作发生紊乱的器件和设备。（3）耦合路径耦合路径 干扰源和接收器之间干扰源和接收器之间传输电磁干扰能量传输电磁干扰能量的路径。的路径。2 2）干扰模型干扰模型 4系统级和系统级和PCB级的级的EMI 电子产品的电子产品的EMC设计需考虑系统（整机）设计需考虑系统（整机）和内部和内部PCB（印制电路板）两个层面，并针对
9、（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。产生干扰的原因，采取抑制措施。1）系统级）系统级EMI产生的原因和抑制产生的原因和抑制 系统级系统级EMI就是就是整机受到的电磁干扰整机受到的电磁干扰。（1）引起系统级干扰的主要因素：）引起系统级干扰的主要因素：产品产品封装措施不当封装措施不当。产品产品整体设计整体设计不合理，不合理，制造质量制造质量不不高，高，电缆与电气接头接地电缆与电气接头接地不可靠。不可靠。PCB布局布局错误，如信号走线布局和错误，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，板上有接地设
10、计不正确、旁路和去耦不足，板上有接地环路等。环路等。（2）主要抑制措施）主要抑制措施 采取合适的方法保证产品采取合适的方法保证产品良好的屏蔽良好的屏蔽。合理可靠的合理可靠的接地和旁路接地和旁路设计。设计。选用合适的选用合适的线路滤波器线路滤波器。保证产品各部分可靠的保证产品各部分可靠的电气隔离电气隔离。正确设计各部分间的正确设计各部分间的连线连线和和PCB布线布线并并控制其阻抗控制其阻抗等。等。2）PCB的的电磁干扰模型电磁干扰模型 干扰主要是频率范围干扰主要是频率范围10 kHz100 MHz的的射频射频信号信号。（1）干扰源干扰源 时钟振荡电路、塑封时钟振荡电路、塑封IC芯片、不正确的布芯
11、片、不正确的布线、匹配不当的阻抗、内部电缆连接器。线、匹配不当的阻抗、内部电缆连接器。（2）传播路径传播路径 互连电缆和自由空间等互连电缆和自由空间等承载射频能量的承载射频能量的媒质媒质。（3）接收器接收器 PCB上的元件、信号传输线、电源线。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）产品电磁兼容性设计的主要内容 减小自身对外的减小自身对外的电磁干扰能量电磁干扰能量，降低，降低干扰源干扰源电压和传播效率电压和传播效率。减小进入本体的外界电磁干扰能量，减小进入本体的外界电磁干扰能量，降低自身的降低自身的电磁敏感度电磁敏感度或提高自身的或提高自身的抗扰抗扰能力能力。5电磁干
12、扰的电磁干扰的耦合耦合 从干扰源到接收器，电磁干扰可以有不从干扰源到接收器，电磁干扰可以有不同的同的耦合路径耦合路径，每种路径又有不同的，每种路径又有不同的传输传输机制机制。1 1）耦合路径耦合路径 干扰源到接收器的干扰源到接收器的直接辐射直接辐射；干扰源对接收器干扰源对接收器信号信号I/O电缆的辐射电缆的辐射。通过信号通过信号I/O电缆或电缆或AC干线干线辐射辐射到接收器。到接收器。通过普通电力线或信号通过普通电力线或信号I/O电缆传播电缆传播。电磁干扰的耦合路径示意图电磁干扰的耦合路径示意图 2）耦合路径的传输机制）耦合路径的传输机制 每种耦合路径都有每种耦合路径都有传导和辐射传导和辐射两
13、种机两种机制，就是通常所指的制，就是通常所指的“路路”和和“场场”的偶的偶合方式，也称为合方式，也称为传导耦合传导耦合与与电磁场耦合电磁场耦合。传导耦合通过噪声源与接收器间传导耦合通过噪声源与接收器间连线连线的公共阻抗的公共阻抗产生；电磁场耦合是产生；电磁场耦合是电场和磁电场和磁场两种耦合机制的综合场两种耦合机制的综合。电磁场耦合机制的原理图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，频率越高，场的影响越大；频率越低，通过路传导的通过路传导的EMI效率越高。效率越高。实际上，对于任何采用数字信号工作的实际上，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电子电路，通
14、过路和场耦合的干扰总是同时存在的。时存在的。磁场耦合磁场耦合磁场耦合磁场耦合电场耦合电场耦合 6.1.2 电子产品中电磁发射和磁场干扰的抑制电子产品中电磁发射和磁场干扰的抑制 1、产品中、产品中电磁发射和磁场干扰的产生机理电磁发射和磁场干扰的产生机理 电磁发射电磁发射 各种数字电路芯片和高频模拟电路芯片运各种数字电路芯片和高频模拟电路芯片运行过程中，因行过程中，因PCB走线或产品各部分连线的设走线或产品各部分连线的设计不合理而产生计不合理而产生天线效应天线效应，发出电磁波引起的，发出电磁波引起的射频干扰射频干扰。当电磁波能量达到一定值时，将会影响当电磁波能量达到一定值时，将会影响周围电子设备和
15、自身的正常工作。周围电子设备和自身的正常工作。磁场干扰磁场干扰 产品内部的电源线和高频工作的电感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性元件工作时产生的磁场通过辐射方式磁场通过辐射方式干干扰产品运行，造成的工作紊乱。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，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。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、电子产品的电磁发射及其抑制 在电子设备中，数字电路芯片端口在电子设备中，数字电路芯片端口信号跳变沿信号跳变沿的频率可达数百兆赫兹，有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
16、以上，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这些数字或模拟信号都可能通过导线传导线传导干扰导干扰或向空中或向空中幅射干扰幅射干扰，影响电子设，影响电子设备自身并干扰其他电子设备。备自身并干扰其他电子设备。1）抑制电磁发射的基本措施抑制电磁发射的基本措施 （1 1）降低干扰信号的能量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，在不影响产品整体工作性能的前提下，减小减小数字信号的跳变速率数字信号的跳变速率或降低或降低数字信号的数字信号的传输速度传输速度。采用贴片元件，缩短高频工作芯片的外采用贴片元件，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，可引脚，减
17、小传输高频信号走线的长度，可抑抑制天线效应制天线效应，减少高频，减少高频信号幅射能量信号幅射能量。（2）隔离干扰信号的传播途径）隔离干扰信号的传播途径 最简单有效的隔离方法是屏蔽，常用的最简单有效的隔离方法是屏蔽，常用的屏蔽有屏蔽有3个层面。个层面。采用导磁采用导磁金属材料外壳金属材料外壳封装，外壳可封装，外壳可靠靠接地（大地）接地（大地）。容易产生高频幅射的局部电路或容易产生高频幅射的局部电路或IC芯片加芯片加金属屏蔽罩金属屏蔽罩，屏蔽罩接，屏蔽罩接信号地信号地。电路板中电路板中传输高速数字信号或高频模传输高速数字信号或高频模拟信号的走线拟信号的走线两侧敷铜并两侧敷铜并接信号地接信号地，实现
18、，实现与其他信号线的隔离。与其他信号线的隔离。（3 3）滤波滤波 直接在电路芯片电源引脚间接入去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。线进入芯片的高频干扰信号。在产品交流在产品交流220 V电源输入端设置电源输入端设置电电源滤波器源滤波器，防止产品工作时产生的高频干，防止产品工作时产生的高频干扰进入电网。扰进入电网。3、电磁能量的干扰机理及其抑制、电磁能量的干扰机理及其抑制 1）干扰来源干扰来源 大电流或高频导线（或铜排）中流大电流或高频导线（或铜排）中流过电流时，在导线周围产生的磁场。过电流时，在导线周
19、围产生的磁场。开开关电源的高频变压器及一切电感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。元件在工作时必然产生的漏磁通。2）干扰机理干扰机理 上述磁通穿过芯片或敏感电路模块，上述磁通穿过芯片或敏感电路模块，半导体中的半导体中的带电粒子带电粒子（电子和空穴）（电子和空穴）在磁场在磁场中受到洛伦兹力中受到洛伦兹力，偏离原来的运动方向，使，偏离原来的运动方向，使芯片和模块的芯片和模块的工作电流波形受磁场变化的调工作电流波形受磁场变化的调制而发生畸变制而发生畸变，导致这些芯片或电路模块的，导致这些芯片或电路模块的正常工作受到干扰。正常工作受到干扰。信号电流总是在闭合回路中流动。当信号电流
20、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，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，同样会造成会在闭合回路中感应电流，同样会造成电电流波形畸变流波形畸变。3）抑制措施抑制措施 屏蔽屏蔽干扰磁场。干扰磁场。减小减小信号电流的信号电流的回路面积回路面积。（1 1）屏蔽方法屏蔽方法 最常用的抑制磁场辐射干扰的措施是最常用的抑制磁场辐射干扰的措施是采采用导电或导磁材料屏蔽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
21、层的干相反的磁通，可以削弱穿过导电屏蔽层的干扰磁通。扰磁通。高频变压器磁心外包一层形成短路环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。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）做设备用导磁材料（铁板或钢板）做设备的机箱，是的机箱，是整机磁屏蔽整机磁屏蔽的常用方法。这种的常用方法。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。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。易发生磁饱和，屏蔽效果也越好。（2 2
22、）减小信号电流回路包围面积的措施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小信号电流回路面积的目的是减少穿减少穿越其中的干扰磁通越其中的干扰磁通。常用措施：常用措施：采用双绞线，使信号电流的采用双绞线，使信号电流的去线和回去线和回线紧密绞合线紧密绞合，可以缩小回路包围的面积。，可以缩小回路包围的面积。用屏蔽线做外部引入的信号线。使用用屏蔽线做外部引入的信号线。使用时将时将心线作为信号电流去线心线作为信号电流去线，铜丝编织的，铜丝编织的屏蔽屏蔽层作为信号电流的回线层作为信号电流的回线，必须，必须单端接信号地单端接信号地。这种方法的回路面积小于双绞线，屏蔽这种方法的回路面积小于
23、双绞线，屏蔽层还能实现磁场屏蔽。层还能实现磁场屏蔽。在保证绝缘安全的前提下，在保证绝缘安全的前提下，PCB中中的的信号线与地线尽量靠近信号线与地线尽量靠近以缩小信号电流以缩小信号电流回路包围的面积。回路包围的面积。选用选用PCB上的上的IC芯片和电路模块时，芯片和电路模块时，在保证电路功能的条件下，应尽量在保证电路功能的条件下，应尽量选用电选用电源进线引脚和零伏线引脚靠近源进线引脚和零伏线引脚靠近的封装的封装 PCB设计时，在确保绝缘安全的前设计时，在确保绝缘安全的前提下，使提下，使电源线和零伏线靠近布置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和共模干扰 差模干扰差模干扰
24、 DMI（Difference Mode Interference）和共模干扰）和共模干扰 CMI（Common Mode Interference）都是）都是传导干扰传导干扰。产品工作环境的电磁干扰、产品工作环境的电磁干扰、PCB板上各板上各种走线布置、进线和回线自身及其对接地机壳种走线布置、进线和回线自身及其对接地机壳阻抗不完全一致，在阻抗不完全一致，在交流电源输入端和工作信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号输入端会存在共模电压和差模电压，并在传，并在传输导线中产生相应的电流。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共模电压在电源或信号的进线和回线中产
25、生的干扰电流中产生的干扰电流方向相同方向相同，而差模电压，而差模电压产生的电流产生的电流方向相反方向相反。共模电流和差模电流不仅干扰电源和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，影响信号的电流波形，还产生磁场辐射，影响PCB的正常工作。的正常工作。差模电流差模电流共模电流共模电流 1 1、差模干扰的抑制差模干扰的抑制 差模电压出现在电源或信号传输的差模电压出现在电源或信号传输的进进线和回线间线和回线间，在进线和回线中的差模电流，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，差模电流产进线和回线近
26、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。生的磁场就可以相互抵消，减小干扰。2 2、共模干扰的抑制共模干扰的抑制 共共模电压存在于模电压存在于电源或信号的进线和电源或信号的进线和回线与接地金属外壳之间回线与接地金属外壳之间，使得在进线和，使得在进线和回线中共模电流的方向相同，产生的磁场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。方向相同，相互叠加。共模干扰不能简单地通过布线来减小，共模干扰不能简单地通过布线来减小，最有效的措施是最有效的措施是使共模电压为零使共模电压为零。常用的方法是常用的方法是灵敏接地灵敏接地。3 3、系系统级共模和差模干扰的抑制统级共模和差模干扰
27、的抑制 系系统级共模和差模干扰是指由产品外部统级共模和差模干扰是指由产品外部干扰产生的共模干扰产生的共模/差模电压差模电压/电流导致的干扰。电流导致的干扰。当前采用最多、最有效的减少系统级共当前采用最多、最有效的减少系统级共模和差模干扰的方法，是在模和差模干扰的方法，是在产产品的品的交流电源交流电源入口端入口端接入适当的接入适当的线路滤波器线路滤波器，可以有效地，可以有效地隔离外部共模和差模电压及其产生的电流。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监控器受到的主要干扰 1 1、低频干扰低频干扰 造成低频干扰的因素：造成低频干扰的因素：高高、中中、低低电电压压电电
28、网网中中的的谐谐波波干干扰扰，一般应考虑到一般应考虑到40次谐波（次谐波（2000Hz）。）。电网电压跌落电网电压跌落和和短时中断短时中断。电电网网三三相相电电压压不不平平衡衡和和电电网网频频率率变化变化引起的干扰。引起的干扰。2、高频干扰、高频干扰 20kHz以以上上的的电电压压浪浪涌涌和和50kHz以以上的上的电流浪涌电流浪涌 与与电电网网中中的的开开关关电电器器操操作作，变变压压器器、电电动动机机及及继继电电器器等等感感性性负负载载的的投投切切和和雷雷击击、线路或负载线路或负载短路短路等因素有关。等因素有关。快速瞬变脉冲群快速瞬变脉冲群干扰干扰 电电器器元元件件器器接接点点弹弹跳跳、真真
29、空空断断路路器器操操作时作时电弧电压不稳定电弧电压不稳定引起。引起。3 3、静电放电干扰静电放电干扰 来来自自雷雷电电、操操作作者者和和邻邻近近物物体体对对设设备备的的放电放电。4 4、磁场干扰磁场干扰 工工频频电电流流或或变变压压器器磁磁场场泄泄漏漏产产生生的工频磁场干扰。的工频磁场干扰。由由雷雷电电或或大大功功率率电电力力电电子子装装置置运运行引起的脉冲磁场干扰。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监控器的系统级电磁兼容性设计 系统级系统级EMC设计的目的是减小监控器设计的目的是减小监控器整体对低频干扰、高频干扰、静电放电和整体对低频干扰、高频干扰、静电放电和磁场
30、干扰的灵敏度，提高监控器对这些干磁场干扰的灵敏度，提高监控器对这些干扰的抵抗能力。扰的抵抗能力。1.静电放电干扰的抑制静电放电干扰的抑制 1 1）静电放电）静电放电分类分类 直接耦合直接耦合 造成设备永久损坏。造成设备永久损坏。辐射耦合辐射耦合 影响监控器正常工作。影响监控器正常工作。2 2）抑制方法）抑制方法 静电干扰最有效的抑制方法是让监静电干扰最有效的抑制方法是让监控单元控单元屏蔽外壳良好接地（大地）屏蔽外壳良好接地（大地）。3 3）操作措施）操作措施 把监控单元用的把监控单元用的开关电源金属外壳开关电源金属外壳与单元本体的屏蔽外壳与单元本体的屏蔽外壳可靠连接，同时可靠连接，同时把把单元
31、本体的屏蔽外壳直接接地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减小电网电压跌落和短暂中断的影响 （1 1）采用具有）采用具有宽输入电压范围宽输入电压范围并并带有储带有储能电感和电容能电感和电容的开关电源为监控器供电的开关电源为监控器供电。（2 2）增设对电源供电质量的监视，在电）增设对电源供电质量的监视，在电源电压跌落到极限值后，监控器源电压跌落到极限值后，监控器报警并闭锁报警并闭锁一些服务功能一些服务功能。（3 3）设置）设置备用电源备用电源。3.3.滤除快速瞬变脉冲群的干扰滤除快速瞬变脉冲群的干扰 (1)(1)干扰来源干扰来源 监控单元输出监控单元输出继电器接点弹跳
32、；继电器接点弹跳；一次真空断路器操作时一次真空断路器操作时电弧不稳定电弧不稳定。(2)(2)特点特点 单个脉冲上升时间快，持续时间短，能单个脉冲上升时间快，持续时间短，能量低，重复频率较高。一般脉冲周期在量低，重复频率较高。一般脉冲周期在50s50s以内，脉冲群重复率以内，脉冲群重复率1100次次/s、尖峰电压尖峰电压2003000V。这种干扰会通过这种干扰会通过电源、模拟通道电源、模拟通道、二二次采样互感器次采样互感器影响监控器工作。影响监控器工作。（3 3）应对措施）应对措施 设置电源线路滤波器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脉冲群干扰信号容易从电源线进入监控器内部，通
33、过控器内部，通过辐射或传导耦合辐射或传导耦合的方式干扰的方式干扰内部工作信号或影响电路元件工作。内部工作信号或影响电路元件工作。解决方案：解决方案：在供电电源的交流输入端接入高品质的无在供电电源的交流输入端接入高品质的无在供电电源的交流输入端接入高品质的无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源线路滤波器，将干扰信号阻隔在智能监控源线路滤波器，将干扰信号阻隔在智能监控源线路滤波器，将干扰信号阻隔在智能监控器的外部。器的外部。器的外部。器的外部。线路滤波器应线路滤波器应线路滤波器应线路滤波器应同时考虑抑制共模干扰和差同时考虑抑制共模干扰和差同时考虑抑制共模干扰
34、和差同时考虑抑制共模干扰和差模干扰模干扰模干扰模干扰。差模干扰（差模干扰（差模干扰（差模干扰（V Vcdcd）常产生在常产生在常产生在常产生在相间和相间和相间和相间和相与中线之间相与中线之间相与中线之间相与中线之间；共模干扰（；共模干扰（；共模干扰（；共模干扰（V Vcmcm）常出现在）常出现在）常出现在）常出现在电源线与地线之间电源线与地线之间电源线与地线之间电源线与地线之间。线路滤波器的基本结构线路滤波器的基本结构 消除模拟量输入通道的干扰消除模拟量输入通道的干扰 快快速速瞬瞬变变脉脉冲冲群群可可通通过过二二次次（采采样样用用）互互感感器器对对模模拟拟量量输输入入通通道道产产生生共共模模和
35、和差差模模干扰。干扰。两种抑制措施：两种抑制措施：监监监监控控控控器器器器专专专专用用用用采采采采样样样样互互互互感感感感器器器器二二二二次次次次侧侧侧侧加加加加入入入入LCLC组组组组成成成成的的的的型型型型低低低低通通通通滤滤滤滤波波波波器器器器。滤滤滤滤波波波波器器器器设设设设计计计计应应应应保保保保证证证证对对对对基基基基波波波波基基基基本无影响本无影响本无影响本无影响，幅度衰减为零，相移小于，幅度衰减为零，相移小于，幅度衰减为零，相移小于，幅度衰减为零，相移小于0.30.3。监控器模拟量输入通道线路中接入监控器模拟量输入通道线路中接入监控器模拟量输入通道线路中接入监控器模拟量输入通道
36、线路中接入高频磁环高频磁环高频磁环高频磁环，以以以以不同的接线方式不同的接线方式不同的接线方式不同的接线方式分别抑制差模和共模干扰。分别抑制差模和共模干扰。分别抑制差模和共模干扰。分别抑制差模和共模干扰。用用用用瞬态电压抑制器瞬态电压抑制器瞬态电压抑制器瞬态电压抑制器（TVSTVS）吸收过电压能量吸收过电压能量吸收过电压能量吸收过电压能量 瞬变脉冲群电压瞬变脉冲群电压瞬变脉冲群电压瞬变脉冲群电压以传导或辐射方式干扰监控器以传导或辐射方式干扰监控器以传导或辐射方式干扰监控器以传导或辐射方式干扰监控器工作的直流电源工作的直流电源工作的直流电源工作的直流电源，会使，会使，会使，会使PCBPCB电路中
37、的芯片和元件因电路中的芯片和元件因电路中的芯片和元件因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。承受超过其允许工作电压的脉冲电压而损坏。承受超过其允许工作电压的脉冲电压而损坏。承受超过其允许工作电压的脉冲电压而损坏。应对措施：应对措施：在在在在电电电电源源源源模模模模块块块块输输输输出出出出直直直直流流流流侧侧侧侧并并并并联联联联瞬瞬瞬瞬态态态态电电电电压压压压抑抑抑抑制制制制器器器器（TVSTVS）吸吸吸吸收收收收过过过过电电电电压压压压能能能能量量量量。TVSTVS击击击击穿穿穿穿电电电电压压压压按按按按监监监监控控控控器器器器直直直直流流流流电电电电源源源源电电电电压压
38、压压选选选选择择择择，最最最最大大大大峰峰峰峰值值值值脉脉脉脉冲冲冲冲功功功功耗耗耗耗由由由由可能加在电源上过电压能量的最大值决定。可能加在电源上过电压能量的最大值决定。可能加在电源上过电压能量的最大值决定。可能加在电源上过电压能量的最大值决定。装设去耦电容装设去耦电容 每每个个芯芯片片的的电电源源和和零零线线之之间间再再加加一一级级去去耦耦电电容容，进进一一步步消消除除由由电电源源线线窜窜入入的的干干扰扰通过耦合方式影响通过耦合方式影响PCB板上的信号线。板上的信号线。4.电压、电流浪涌的吸收电压、电流浪涌的吸收 常见的浪涌分常见的浪涌分雷电浪涌电流雷电浪涌电流和和开关开关操作浪涌电压操作浪
39、涌电压。(1)(1)特点特点 基本上是单极性脉冲或迅速衰减的基本上是单极性脉冲或迅速衰减的振荡波，振荡波，持续时间较长持续时间较长。单极性脉冲上。单极性脉冲上升比较缓慢但升比较缓慢但能量大能量大。(2)(2)危害方式危害方式 通过通过传导和辐射传导和辐射进入监控器内部，造成进入监控器内部，造成电路芯片、元件甚至电路芯片、元件甚至整机整机的损坏。的损坏。(3)(3)主要应对措施主要应对措施 在电源模块的交流输入侧在电源模块的交流输入侧线路滤波器线路滤波器前前和和输出直流侧输出直流侧并接过压抑制器。常用元并接过压抑制器。常用元件有件有压敏电阻压敏电阻、气体放电管气体放电管和瞬态电压抑和瞬态电压抑制
40、器（制器（TVS）。1）压敏电阻）压敏电阻 是一种是一种非线性非线性、箝压型电阻元件箝压型电阻元件，用于，用于吸收开关操作、雷击引起的电源线路中的吸收开关操作、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。浪涌能量，抑制被保护线路的过电压。电路符号与伏电路符号与伏-安特性安特性 （1）使用特点）使用特点 能吸收很大的能吸收很大的浪涌电能量浪涌电能量，但不能承，但不能承受受毫安级以上的持续电流毫安级以上的持续电流。（2）主要选用参数）主要选用参数 压敏电压压敏电压 是压敏电阻的是压敏电阻的击穿电压击穿电压（或（或阈值电压阈值电压），），指在其中指在其中通入通入1 mA直流电流直流电流时
41、测到的元件时测到的元件两端的电压。两端的电压。压敏电压选择原则：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，为保证电压抑制效果和元件自身的使用寿命，为保证电压抑制效果和元件自身的使用寿命，为保证电压抑制效果和元件自身的使用寿命，实际应用中，压敏电压一般按实际应用中，压敏电压一般按实际应用中，压敏电压一般按实际应用中，压敏电压一般按1.51.5倍被保护电路倍被保护电路倍被保护电路倍被保护电路电压的峰值电压的峰值电压的峰值电压的峰值或或或或2.22.2倍倍倍倍电路电路电路电路电压有效值选择电压有效值选择电压有效值选择电压有效值选择。2）通流容量通流容量 环境温度为环境温度为25，用，
42、用规定的冲击电流波规定的冲击电流波形形对元件冲击对元件冲击规定的次数规定的次数，其压敏电压的，其压敏电压的变化不超过变化不超过10的的最大脉冲电流值最大脉冲电流值。（1）通流容量的选择方法）通流容量的选择方法 为了压敏电阻自身工作的安全，通流容为了压敏电阻自身工作的安全，通流容量应量应大于元件可能吸收的最大浪涌能量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大一些，通常根据被保护对象的容量按经验选取。验选取。（2）使用要点使用要点 用用伏安特性尽可能一致伏安特性尽可能一致的元件的元件并联并联，可扩大
43、其通流容量。可扩大其通流容量。能够吸收的浪涌能量大，但能够吸收的浪涌能量大，但寄生电寄生电容容容量大，容量大，响应时间响应时间较长，而且随着冲击较长，而且随着冲击次数增加，其次数增加，其漏电流漏电流也增加。也增加。当前使用较多的是当前使用较多的是氧化锌氧化锌（ZnO）压敏电）压敏电阻。阻。2）气体放电管）气体放电管 由一对封装在玻璃管中的电极组成，使由一对封装在玻璃管中的电极组成，使用时用时与被保护电路并联与被保护电路并联。（1）气体放电管的特性）气体放电管的特性 表现为表现为表现为表现为开关型开关型开关型开关型。施加在电极间的电压超过极间施加在电极间的电压超过极间施加在电极间的电压超过极间施
44、加在电极间的电压超过极间气体间隙放电阈气体间隙放电阈气体间隙放电阈气体间隙放电阈值值值值时，气体间隙被击穿，呈现出时，气体间隙被击穿，呈现出时，气体间隙被击穿，呈现出时，气体间隙被击穿，呈现出近似短路近似短路近似短路近似短路的状的状的状的状态。态。态。态。击穿的阈值电压随击穿次数增加而降低。击穿的阈值电压随击穿次数增加而降低。击穿的阈值电压随击穿次数增加而降低。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）气体放电管的使用特点 一般不在直流电路中使用。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，可能使气产
45、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。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在实际应用中，气体放电管常与压敏电阻串联使用。阻串联使用。原理电路原理电路 这种用法可这种用法可限制限制出现浪涌时流经气体放电出现浪涌时流经气体放电管的管的跟随电流跟随电流。同时，由于。同时，由于电容的旁路作用电容的旁路作用，在放电开始的瞬间，浪涌能量不直接进入压敏在放电开始的瞬间，浪涌能量不直接进入压敏电阻，可电阻，可减缓浪涌次数减缓浪涌次数对压敏电阻对压敏电阻漏电流增加漏电流增
46、加的影响。的影响。3）瞬态电压抑制器）瞬态电压抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor）是一种是一种二极管形式二极管形式的高效能保护器件，的高效能保护器件，也是也是箝位型箝位型的电子器件。的电子器件。TVS分为单极性和双极性两种，分别适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，使用时与被保用于直流和交流电路保护，使用时与被保护对象并联。护对象并联。TVS的特性的特性（1）TVS使用特点使用特点 承受浪涌峰值电流的能力低于压敏承受浪涌峰值电流的能力低于压敏电阻，电阻，额定的箝位电压越高额定的箝位电压越高，耐受浪涌峰耐受浪涌峰值电流的能力越低值电流的能力越
47、低。在规定反向应用条件下承受一定高在规定反向应用条件下承受一定高能量的浪涌脉冲时，其工作阻抗可能量的浪涌脉冲时，其工作阻抗可在在1 ps内内由高阻变为低阻由高阻变为低阻，使浪涌脉冲电流通过，使浪涌脉冲电流通过，并将电压箝制在器件规定的水平。并将电压箝制在器件规定的水平。承受的承受的瞬时脉冲功率瞬时脉冲功率可达上千瓦，可达上千瓦，电电压箝位时间压箝位时间一般为一般为1012 s，响应时间响应时间1 ps。环境温度环境温度TA=25，脉冲持续时间，脉冲持续时间t=10 ms条件下，允许的条件下，允许的正向浪涌电流正向浪涌电流可达可达50200 A。（2）应用要点）应用要点 可按保护对象的可按保护对
48、象的实际工作电压允许的实际工作电压允许的波动波动选择器件额定电压。选择器件额定电压。承受浪涌峰值电流的能力较低，在承受浪涌峰值电流的能力较低，在实际应用中，多用于被保护装置实际应用中，多用于被保护装置电源模块电源模块直流输出端直流输出端的过压保护。的过压保护。用于被保护装置用于被保护装置电源模块交流输入电源模块交流输入端端时，一般需要与压敏电阻等大功率浪涌时，一般需要与压敏电阻等大功率浪涌吸收元件配合，作为吸收元件配合，作为提高对浪涌响应速度提高对浪涌响应速度的辅助元件的辅助元件。6.2.3 监控器监控器PCB的抗干扰设计的抗干扰设计 PCB是监控器的核心组成部分，包含了是监控器的核心组成部分
49、，包含了监控器中几乎所有的电路元件、信号和工作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电源电路走线、与外部设备和交流电源的I/O连接件。它们连接件。它们既是干扰源也是接收器既是干扰源也是接收器。PCB的抗干扰设计是的抗干扰设计是监控器监控器EMC设计设计中中最关键的环节。最关键的环节。1PCB与与EMI 1）PCB产生产生电磁干扰的机理电磁干扰的机理 电路中的电路中的数字信号数字信号包含的包含的高次谐波高次谐波。高速数字高速数字IC芯片内部开关元件工作状芯片内部开关元件工作状态改变过程会产生态改变过程会产生电流突变电流突变。无源电路元件和走线对不同的工作频无源
50、电路元件和走线对不同的工作频率，会呈现完全不同的率，会呈现完全不同的阻抗特性阻抗特性。对数字。对数字电路工作信号的高频段，电路将呈现完全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。不同的工作状态，造成电磁干扰。设计时只从设计时只从单一的频率响应单一的频率响应考虑电路元件，考虑电路元件，或只从或只从时域特性时域特性选择元件，也有可能引起选择元件，也有可能引起EMI。2）导线和）导线和PCB走线走线 导线或导线或PCB走线都有走线都有潜在的寄生电容和电潜在的寄生电容和电感感，影响其，影响其实际阻抗实际阻抗及其及其对频率的响应对频率的响应。导线和导线和PCB走线在走线在DC和低