56瞬态干扰抑制讲解

六、瞬态干扰及其抑制＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋电感性负载主要内容1.概述2.电快速瞬变脉冲群（EFT）3.雷击浪涌及其防护4.静电放电干扰及其防护5.抑制瞬态骚扰的常用器件瞬态干扰对设备的威胁电快速脉冲电快速脉冲浪涌静电放电静电放电电源端口信号端口浪涌静电放电瞬态干扰：时间很短，频谱宽，幅度大的电磁干扰。常见的瞬态干扰：电快速脉冲、浪涌、静电放电1.概述1.概述电快速脉冲群：电路中的感性负载断开时产生。特点：脉冲串。影响：对电路的影响较大，且脉冲串的周期越短，影响越大。浪涌：主要由雷电在电缆上感应产生的，功率很大的开关也能产生。特点：能量很大。（室内的浪涌电压幅度可以达到6kV，室外往往会超过10kV）影响：浪涌不象EFT那么普遍，但危害十分严重，导致电路损坏。静电放电：雷电现象、人体接触设备时的静电放电、装置放电。1.概述3种瞬态干扰的比较骚扰类型EFTSURGEESD脉冲上升时间5ms慢，ms量级＜1ns能量中等（单个脉冲）高低电压（负载阻抗高）10kV以下10kV以下15kV以上电流（负载阻抗低）几十安培几千安培人体放电几十安培装置放电可达数百安培瞬态类型tr1/1/trA2AEFT5ns50ns6.4MHz64MHz4kV0.4V/MHzESD1ns30ns10MHz320MHz30A1.8mA/MHz浪涌1.2ms50ms6.3kHz265kHz4kV0.4V/MHz1.概述瞬态干扰的频谱trA0.5A2A1/1/tr时间频率A:瞬态干扰脉冲的振幅在电气和机电设备中常见的一种瞬态干扰是由继电器、马达、变压器等电感器件和开关动作产生的。一般这些器件构成系统的一部分，因此干扰往往在系统内部产生。设计人员对此应给予足够的重视。电感性负载感性负载断开时产生的干扰2.电快速瞬变脉冲群（EFT）开关触点击穿导通机理气隙上的电压击穿电压维持电压320V0.08mm接触点距离辉光放电气体电离2.电快速瞬变脉冲群（EFT）起辉电压：造成气体电离的电压。起辉电压与气体种类、气体压力和触点之间距离有关。维持电压：气体发生电离以后，只需要较低电压就能维持其电离状态。与触点的距离无关为了维持导通，需要一个最小电流，几个mA开关触点击穿导通机理2.电快速瞬变脉冲群（EFT）阳极(+)阴极(－)电子流弧光放电金属气化击穿电压维持电压30V接触点距离维持电压一般为20－30V，维持电流一般为1A。当电压或电流不满足条件时，弧光放电终止气体金属桥上电流由电路电阻和电源电压决定。避免触头气体击穿的两个条件1)使触头间电压始终保持低于击穿电压，防止辉光放电。2)使触头电压的起始上升率低于产生弧光放电的临界值(对大多数触头来说1V/微妙)，则不会产生弧光放电。2.电快速瞬变脉冲群（EFT）感性负载断开时产生的干扰VLVLt电源回路中的电流（电压）I0VdcC特点：脉冲串t2.电快速瞬变脉冲群（EFT）根据楞次定律，当开关断开时，电感上的电流不能突然消失，电感上会产生一个很高的反电动势：E=d/dt=-L(di/dt)反电动势向电感的寄生电容C反向充电。充电电压升高，触点上的电压也升高，当达到一定程度时，将触点击穿，形成导电通路，电容C开始放电，电压开始下降，当电压降到维持触点空气导通的电压以下时，通路断开，又重复上面的过程。这种过程重复到由于触点之间的距离增加，电容上的电压不能击穿触点为止。当电容不能通过击穿触点放电时，就通过电感回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。1.电快速瞬变脉冲群（EFT）EFT干扰机理2.电快速瞬变脉冲群（EFT）EFT干扰机理随着触点的距离越来越远，击穿触点需要的电压越来越高，因此电容上的电压越来越高。随着击穿触点需要的电压越来越高，电容充电的时间越来越长，因此震荡波形的频率越来越低。电容C每次击穿触点向电源回路反向放电时，会在电源回路上形成很大的脉冲电流，由于电源阻抗的存在，这些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压，从而对共用这个电源的其它电路造成影响。2.电快速瞬变脉冲群（EFT）EFT干扰机理2.电快速瞬变脉冲群（EFT）2.电快速瞬变脉冲群（EFT）EFT特性脉冲群幅值在100V~数千伏之间（由触点机电特性决定）脉冲重复频率1kHz~1MHz单个脉冲频谱宽（上升沿：ns，脉冲持续期：几十ns~ms）数字电路敏感，程序混乱、数据丢失、控制电路失灵等2.电快速瞬变脉冲群（EFT）EFT干扰的抑制EFT骚扰信号通常由电源线或信号线传入受干扰设备EFT电感瞬态干扰抑制网络其他方法EFT滤波器或吸收器骚扰源远离敏感电流正确接地软件中加入抗骚扰指令安装瞬变骚扰吸收器EFT骚扰一般不会损坏元器件，只是使产品性能下降或者功能丧失。RLRLRCL2.电快速瞬变脉冲群（EFT）电感EFT干扰抑制网络L2.电快速瞬变脉冲群（EFT）电感EFT干扰抑制网络R:越大，开关闭合时限流作用越好越小，开关断开时反充电压越小V/IaRRL折衷C:由于没有弧光，L中的能量全部进入C，VC=I(L/C)1/2为了防止发生辉光，VC300VC(I/300)2L为了防止发生弧光，电容充电速率要小于1V/ms，C10-6IRCL接在开关两端的开关防护电路2.电快速瞬变脉冲群（EFT）3.雷击浪涌雷击：自然放电现象，危害大！在大气层中，云层间或云和地之间的电位差增大达到一定程度时，即发生猛烈放电现象（闪电）雷击造成的破坏性后果有三种层次：①设备损坏，人员伤亡；②设备或元器件寿命降低；③传输或储存的信号（模拟或数字）、数据受到干扰或丢失，甚至电子设备产生误动作而造成系统暂时瘫痪或整个系统停顿。直击雷击、感应雷击直击雷3.雷击浪涌雷电直接击在建筑物上及地面高大物体上雷电放电的极高能量产生的电效应可造成人身伤害。产生的热效应和引发火灾。产生的机械力将对建筑物及其设施造成极大的损害。感应雷3.雷击浪涌二次雷击：雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管或类似传导体上产生感应电压，从而损坏微电子设备。强大的静电感应和磁场感应，产生瞬间尖峰冲击电流电阻性、电感性耦合方式感应雷3.雷击浪涌浪涌3.雷击浪涌通常把由雷电在电缆上电击或感应产生的瞬变过电压脉冲称为浪涌。浪涌电压从电源线或信号途径进入设备，造成损害。电源浪涌来源：雷击、电力系统短路故障、投切大负荷时线路浪涌信号系统浪涌来源：感应雷击、电磁干扰、无线干扰和静电干扰浪涌虽然不象EFT那么普遍，但是一旦发生危害是十分严重的，往往导致电路的损坏浪涌3.雷击浪涌类型产生原因雷击直击雷雷击直接点击电源或信号线感应雷静电感应、电磁感应线路浪涌故障浪涌相线与地短路引起的过电压一相开路引起的过电压系统开关无负载时开关过电压切断电流容性或感性负载开关整流电磁感应使用电吹风、无绳电话等静电感应人体静电、摩擦静电核电磁脉冲核爆雷电浪涌对机房电子设备造成损害的主要途径3.雷击浪涌雷电危害防护3.雷击浪涌完整防雷方案包括：直击雷的防护和感应雷的防护直击雷防护避雷针、导地体和接地网感应雷防护各种线路进出端口安装防雷器雷电危害防护3.雷击浪涌电源系统的防雷电过电压保护分级保护：CLASSI级：在用户供电系统入口进线各相和大地之间使用大容量电源防浪涌保护器（SPD）(大浪涌电流的吸收）;CLASSII级：安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处的SPD;第三级:用电设备内部电源部分使用一个内置式的SPD信号系统的防雷保护有线传输时,采用屏蔽电缆或穿管埋地引入；信号接收器与线缆之间装SPD；天馈线的发射设备端与接入设备端装SPD等雷电危害防护3.雷击浪涌采用共地的接地措施对直击雷防护既经济又能达到低接地电阻的效果，有利于雷电流的泄放；对感应雷的防护，电阻性耦合所产生的破坏可减到最小。室内布线尽量减少环路尽量采用光纤＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放电电流I特点：频率范围宽静电的产生：接触分离起电摩擦起电感应起电传导起电1ns100nsIt放电电流4.静电放电干扰及其防护静电放电现象：当一个带电物体接近一个接地导体时，带电物体上的电荷会通过接地导体快速泄放。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放电电流I特点：频率范围宽静电放电产生电磁干扰的实质：放电电流具有很高的幅度和很短上升沿，会产生强度大、频谱宽的电磁场，对电子设备造成电磁干扰。根据傅立叶变换，上升沿为1ns的脉冲，带宽达到300MHz。1ns100nsIt放电电流4.静电放电干扰及其防护在进行静电放电试验时，会发现一种现象：较高的静电电压和较低的静电电压都比中等程度的静电电压产生的静电放电更容易引起电路干扰。4.静电放电干扰及其防护解释如下：电压较低时：带电体几乎接触上接地导体时才发生放电，放电是突发性的，上升沿很陡，幅度很大。因此干扰很厉害。电压中等时：带电体接近接地导体时，两者之间的电压导致气体电离，发生辉光放电，放电电流脉冲的上升沿较长，所占频带较窄。电压很高时：虽然也会有辉光放电发生，但是会发生多次放电。在每个多次放电序列中，会有一个以上的低电压放电，这会导致快速上升时间和高峰值电流，产生严重的问题。ESD对电路工作影响的机理不良搭接孔缝电流找阻抗最小路径静电放电产生的电磁场静电放电耦合通路有：直接传导、寄生电容/电感耦合进敏感电路。静电放电对设备造成的损害有三种：硬损坏、软损坏和数据错误。直接传导电容耦合4.静电放电干扰及其防护4.静电放电干扰及其防护ESD防护设计及措施减少ESD影响的设计原则：阻止ESD产生阻止EMI耦合到电路或设备通过设计工艺增加设备固有的抗骚扰性减少ESD影响的附件保护措施设备中不用的输入端允许处于不连接或者悬浮状态应用滤波器阻止ESD耦合至设备PCB设计：走线是ESD产生EMI的发射天线，要求线短,包围面积小外壳设计，为减少EMI缝隙边沿每隔一段距离应电连接正确设计电缆保护系统软件EMI抑制措施ESD常见问题与改进ESDVESDV单点接地4.静电放电干扰及其防护4.静电放电干扰及其防护问题：机箱搭接阻抗过大例如：0.1欧姆搭接阻抗，静电放电电流30A，电位差3V解决办法：减少搭接阻抗、单点接地ESD常见问题与改进ESDESD屏蔽层屏蔽场作用4.静电放电干扰及其防护4.静电放电干扰及其防护问题：机箱不连续（孔洞、缝隙）ESD电流通过机箱同时通过线路板泄到地，损耗线路板解决办法：完整机箱、增加屏蔽层ESD1I1ESD2I2ESD1I1ESD2铁氧体磁珠ESD常见问题与改进4.静电放电干扰及其防护解决方法：在旁路电容与线路板之间串联一只铁氧体磁珠，增加流向线路板的路径的阻抗。问题：对地电容能够将电缆上的静电放电电流旁路到机箱，避免流到电路上，但是这个电容也会将机壳上的电流引到信号线上，从而进入电路。高电位共模电流0V二次放电高电位ESD常见问题与改进4.静电放电干扰及其防护问题：二次放电机箱上发生静电放电时，机箱电位高；而机箱内部电路接地，在地电位附近；二者存在很大电位差，距离近时，发生二次电弧。解决方法：增加与外壳间的距离、外壳与电路间加一层接地挡板线路板和机箱连在一起ESD常见问题与改进4.静电放电干扰及其防护发生10000V静电放电时：通过电缆的屏蔽层连接两机箱，使其电位差尽量小搭接方式很重要！ESD常见问题与改进4.静电放电干扰及其防护使用共模扼流圈，使静电放电造成的共模电压将在扼流圈上。低通滤波器：截止频率小于1/分压法：电阻电感电容分流法：压敏电阻瞬态抑制二极管气体放电管电容＋电阻5.瞬态干扰抑制常用器件瞬态干扰抑制机理浪涌抑制器件压敏电阻瞬态抑制二极管气体放电管低通滤波器上策下策并用浪涌注入端被保护电路端抑制高频差模干扰5.瞬态干扰抑制常用器件VOUT/VIN-10-20-30-40fCO1/20.10.010.0010VOUT/VIN=2fco低通滤波器对瞬态干扰的抑制5.瞬态干扰抑制常用器件低通滤波器