監控用電力儀表的電磁兼容設計

　　1前言

　　電力行業(yè)常用的監控儀表與傳統的電參量變送器相比，逐步向智能化、集成化、多功能化方向發(fā)展，并且在電磁兼容性能上也有很高的要求(EMS和EMI試驗均有相關(guān)要求)。設計者如何選擇適當的EMC設計方案，對產(chǎn)品設計的成敗起到?jīng)Q定性作用。本文就如何進(jìn)行電力監控儀表的電磁兼容設計進(jìn)行了綜合闡述。

　　2標準解讀

　　2.1判定標準結合重工業(yè)產(chǎn)品通用標準，電力監控用電力儀表需要滿(mǎn)足的EMS、EMI項目及評判等級見(jiàn)圖1. 2.2標準解讀干擾通常分為持續干擾和瞬態(tài)干擾兩類(lèi)。如廣播電臺、手機信號、步話(huà)機等屬于持續干擾。由于開(kāi)關(guān)切換，電機制動(dòng)等造成電網(wǎng)的波動(dòng)，此類(lèi)干擾我們稱(chēng)為瞬態(tài)干擾。圖1中瞬態(tài)干擾包含：浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS;持續干擾包含：傳導敏感度CS，輻射敏感度RS.評判等級A所述的“性能不降低”，即干擾施加后，硬件無(wú)損害，干擾施加過(guò)程中無(wú)死機、復位、數據掉幀或誤碼率較高等問(wèn)題，好像無(wú)干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續性的干擾的評判等級均采用此評判等級。瞬態(tài)干擾為偶然性發(fā)生，且引起的電網(wǎng)干擾時(shí)間不長(cháng)，故暫時(shí)性能降低，也就是評判等級B. 2.3 EMS試驗項目及干擾實(shí)質(zhì)分析(1)浪涌SURGE：波形1.2/50μs、8/20μs，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)μs的脈沖，是一種傳導性干擾，因其脈沖攜帶較強能量，故需要對所有功能端口做相應程度的防護，否則會(huì )引起內部電路元件的永久性硬損傷。

　　(2)靜電EMD：波形上升沿為0.7-1ns，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數千至上萬(wàn)伏，故脈沖也具有一定的能量，須在端口做防護。由于其上升沿很陡，故其攜帶的高頻諧波很豐富，可達500MHz，所以靜電在儀表所有裸露的金屬部件(包含端子，螺釘等)進(jìn)行接觸放電或孔縫(包含LED指示燈的開(kāi)孔，各種散熱和觀(guān)察孔)時(shí)，或分別對水平耦合板和垂直耦合板間接放電時(shí)，均會(huì )在放電點(diǎn)瞬時(shí)形成一個(gè)高頻電場(chǎng)，通過(guò)空間對電路進(jìn)行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設計時(shí)應注意端口保護和空間高頻輻射場(chǎng)兩方面內容。

　　(3)電快速脈沖群EFT/B：波形上升沿為5ns，波形為數個(gè)周期脈沖串的組合，能量很低。干擾的性質(zhì)和靜電一樣是共模，干擾路徑既包括傳導也包含輻射。

　　(4)傳導敏感度CS：共模干擾，干擾頻段從150KHz到80MHz.在進(jìn)行項目試驗時(shí)，其干擾信號源至儀表的線(xiàn)纜長(cháng)度與干擾頻段(30MHz)對應的波長(cháng)λ的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調制頻率超過(guò)30MHz時(shí)，因趨膚效應，干擾信號主要以空間輻射方式出現(低于30MHz時(shí)，主要還是以傳導方式干擾)。

　　(5)輻射敏感度RS：共模干擾，干擾頻段從80MHz到1GHz.需注意，外拖的線(xiàn)纜充當接收天線(xiàn)，干擾為電磁場(chǎng)的遠場(chǎng)。

　　2.4 EMI試驗項目及干擾實(shí)質(zhì)分析EMI試驗包含傳導發(fā)射CE和輻射發(fā)射RE.CE考察的頻段為150KHz~30MHz，RE考察的頻段為MHz~1GHz，通常按A類(lèi)設備要求。對電力儀表而言，主要考察其內部電源(通常為開(kāi)關(guān)電源)、晶振(包括有源晶振和無(wú)源晶振)等主要騷擾源通過(guò)天線(xiàn)(由外拖線(xiàn)纜充當)形成的傳導和輻射，在設計時(shí)應特別注意對上述騷擾源的處理。

　　3電磁兼容設計方法

　　3.1電磁兼容設計的基本思路出現EMC問(wèn)題，必須有干擾源，耦合路徑及敏感設備三要素，缺少任何一個(gè)環(huán)節，均不能構成EMC問(wèn)題。因此，針對EMC問(wèn)題，其設計就是針對三要素中的一個(gè)或幾個(gè)采取技術(shù)措施，限制或消除其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類(lèi)。“堵”就是通過(guò)增加共模濾波器，采用光耦等隔離或線(xiàn)纜套磁環(huán)等方式增加共模阻抗Z：“疏”就是通過(guò)電容形成高頻通路，將共模干擾引入阻抗更低的地(PE)或金屬殼。一個(gè)EMC設計往往可以通過(guò)既“堵”又“疏”的方式，在成本增加不大的情況下，可獲得較好的EMC性能。

　　3.2 EMC解決手段屏蔽、接地和濾波是EMC解決的三種手段。在下文中將詳細說(shuō)明。

　　4原理圖級設計

　　在確定儀表需要滿(mǎn)足的電磁兼容項目及試驗等級后，在原理圖設計時(shí)就有必要對相關(guān)試驗項目進(jìn)行設計，最大程度降低電磁兼容風(fēng)險和節省項目開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　4.1端口設計儀表的端口包括電源端口及信號端口，在EMC測試項目中針對端口的試驗包括浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，傳導敏感度CS，傳導發(fā)射CE，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS.因此在設計中應遵循先進(jìn)行浪涌防護后進(jìn)行隔離/共模濾波的順序進(jìn)行。

　　(1)浪涌防護設計根據儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌?jì)煞N。如信號端口(也包含工作電源端口)的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)間為差模浪涌，電路的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)分別對地(接地端子)為共模浪涌。

　　抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件，如氣體防電管、壓敏電阻、TVS.不同的端口根據其功能，選用不同的組合方案進(jìn)行浪涌的防護。例如，當儀表是三相四線(xiàn)輸入，因為電壓端口為高阻輸入，在浪涌等級要求不太高時(shí)，一般無(wú)須采用壓敏電阻和氣體放電管。

　　(2)共模濾波器的設計通過(guò)在端口附近設計共模濾波器，對共模干擾進(jìn)行旁路。濾除共模干擾也可采取設計隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過(guò)電容接地(如果端口設計有接地端子，應滿(mǎn)足相應安全要求)的方式來(lái)實(shí)現。

　　設計共模濾波器，首先應明確共模干擾的頻段，以便選擇合適的電感、電容參數。若需要同時(shí)抑制低、中、高頻的共模干擾，有時(shí)可采用低頻和高頻共模濾波器串聯(lián)的方式來(lái)解決。

　　儀表電源端口往往采用開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)重要的對外干擾源，需要在端口設計EMI濾波器。另外，從EMS角度考慮，由于隔離變壓器的輸入輸出間存在較大的分布電容，高頻共模干擾可以毫無(wú)衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開(kāi)關(guān)電源前設計濾波器。

　　電源端口基本濾波電路結構見(jiàn)圖2.當無(wú)PE時(shí)，共模電容省略。共模扼流圈在繞制中會(huì )產(chǎn)生1%左右的漏感，可直接利用來(lái)進(jìn)行差模濾波，若要加強差模濾波，則可在扼流圈后增加差模電感設計。需要強調的是，圖2所示濾波器在進(jìn)行PCB布板時(shí)，應盡量擺放在靠近于端口的位置，且印制線(xiàn)走線(xiàn)應注意控制環(huán)路面積，讓濾波器獲得最大的插入損耗。

　　4.2敏感電路及器件設計在設計中需要注意對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設計。盡量采用抗擾度高的器件，在功能滿(mǎn)足的情況下，盡量降低晶振的頻率，盡量選擇上升沿較緩的器件。

　　電容、電感非理想器件的寄生參數，在高頻時(shí)將會(huì )大大影響其濾波效果，所以對不同頻段的干擾信號應選擇不同的濾波參數。以電容為例，其頻率阻抗曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.這里需要強調的是，該類(lèi)器件的引線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)，其高頻下寄生參數會(huì )降低自身的諧振頻率，建議盡量采用貼片器件。一個(gè)常用的做法是選擇參數相差100倍的電容進(jìn)行并聯(lián)，以保證在其較寬的頻段范圍內始終保持電容特性。

　　數字芯片均應做去耦設計，特別是攜帶豐富高次諧波的數字電源引腳，通常用0.1uF電容與1nF電容并聯(lián)。對于數字芯片中因結構、傳輸路徑等客觀(guān)因素影響的關(guān)鍵信號均應做去耦設計，去耦時(shí)應注意不要影響信號的正常傳輸。

　　對于特別敏感的電路單元，在成本允許和結構設計時(shí)應充分考慮，針對輻射試驗項目(RS和RE)屏蔽材料選擇鋁或銅等金屬，設計時(shí)為保證足夠的屏蔽效能應保證低接地阻抗，在此不作詳細說(shuō)明。