監(jiān)控用電力儀表的電磁兼容設(shè)計

1 前言

電力行業(yè)常用的監(jiān)控儀表與傳統(tǒng)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(shè)計者如何選擇適當(dāng)?shù)腅MC設(shè)計方案，對產(chǎn)品設(shè)計的成敗起到?jīng)Q定性作用。本文就如何進(jìn)行電力監(jiān)控儀表的電磁兼容設(shè)計進(jìn)行了綜合闡述。

2　標(biāo)準(zhǔn)解讀

2.1 判定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合重工業(yè)產(chǎn)品通用標(biāo)準(zhǔn)，電力監(jiān)控用電力儀表需要滿足的EMS、EMI項目及評判等級見圖1。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)解讀

干擾通常分為持續(xù)干擾和瞬態(tài)干擾兩類。如廣播電臺、手機信號、步話機等屬于持續(xù)干擾。由于開關(guān)切換，電機制動等造成電網(wǎng)的波動，此類干擾我們稱為瞬態(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、短時中斷和電壓變化DIPS;持續(xù)干擾包含：傳導(dǎo)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，硬件無損害，干擾施加過程中無死機、復(fù)位、數(shù)據(jù)掉幀或誤碼率較高等問題，好像無干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續(xù)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)干擾時間不長，故暫時性能降低，也就是評判等級B。

2.3　EMS試驗項目及干擾實質(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μs的脈沖，是一種傳導(dǎo)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(yīng)程度的防護(hù)，否則會引起內(nèi)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ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數(shù)千至上萬伏，故脈沖也具有一定的能量，須在端口做防護(hù)。由于其上升沿很陡，故其攜帶的高頻諧波很豐富，可達(dá)500MHz，所以靜電在儀表所有裸露的金屬部件(包含端子，螺釘?shù)?進(jìn)行接觸放電或孔縫(包含LED指示燈的開孔，各種散熱和觀察孔)時，或分別對水平耦合板和垂直耦合板間接放電時，均會在放電點瞬時形成一個高頻電場，通過空間對電路進(jìn)行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設(shè)計時應(yīng)注意端口保護(hù)和空間高頻輻射場兩方面內(nèi)容。

(3)電快速脈沖群EFT/B：波形上升沿為5ns，波形為數(shù)個周期脈沖串的組合，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(dǎo)也包含輻射。

(4)傳導(dǎo)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，其干擾信號源至儀表的線纜長度與干擾頻段(30MHz)對應(yīng)的波長λ的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調(diào)制頻率超過30MHz時，因趨膚效應(yīng)，干擾信號主要以空間輻射方式出現(xiàn)(低于30MHz時，主要還是以傳導(dǎo)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，外拖的線纜充當(dāng)接收天線，干擾為電磁場的遠(yuǎn)場。

2.4　EMI試驗項目及干擾實質(zhì)分析

EMI試驗包含傳導(dǎo)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類設(shè)備要求。對電力儀表而言，主要考察其內(nèi)部電源(通常為開關(guān)電源)、晶振(包括有源晶振和無源晶振)等主要騷擾源通過天線(由外拖線纜充當(dāng))形成的傳導(dǎo)和輻射，在設(shè)計時應(yīng)特別注意對上述騷擾源的處理。

3　電磁兼容設(shè)計方法

3.1 電磁兼容設(shè)計的基本思路

出現(xiàn)EMC問題，必須有干擾源，耦合路徑及敏感設(shè)備三要素，缺少任何一個環(huán)節(jié)，均不能構(gòu)成EMC問題。因此，針對EMC問題，其設(shè)計就是針對三要素中的一個或幾個采取技術(shù)措施，限制或消除其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類。“堵”就是通過增加共模濾波器，采用光耦等隔離或線纜套磁環(huán)等方式增加共模阻抗Z;“疏”就是通過電容形成高頻通路，將共模干擾引入阻抗更低的地(PE)或金屬殼。一個EMC設(shè)計往往可以通過既“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(xì)說明。

4 原理圖級設(shè)計

在確定儀表需要滿足的電磁兼容項目及試驗等級后，在原理圖設(shè)計時就有必要對相關(guān)試驗項目進(jìn)行設(shè)計，最大程度降低電磁兼容風(fēng)險和節(jié)省項目開發(fā)時間。

4.1　端口設(shè)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(dǎo)敏感度CS，傳導(dǎo)發(fā)射CE，電壓暫降、短時中斷和電壓變化DIPS。因此在設(shè)計中應(yīng)遵循先進(jìn)行浪涌防護(hù)后進(jìn)行隔離/共模濾波的順序進(jìn)行。

(1) 浪涌防護(hù)設(shè)計

根據(jù)儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌兩種。如信號端口(也包含工作電源端口)的進(jìn)線和回線間為差模浪涌，電路的進(jìn)線和回線分別對地(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(jù)其功能，選用不同的組合方案進(jìn)行浪涌的防護(hù)。例如，當(dāng)儀表是三相四線輸入，因為電壓端口為高阻輸入，在浪涌等級要求不太高時，一般無須采用壓敏電阻和氣體放電管。

(2) 共模濾波器的設(shè)計

通過在端口附近設(shè)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(shè)計隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過電容接地(如果端口設(shè)計有接地端子，應(yīng)滿足相應(yīng)安全要求)的方式來實現(xiàn)。

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

儀表電源端口往往采用開關(guān)電源，由于開關(guān)電源是一個重要的對外干擾源，需要在端口設(shè)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衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開關(guān)電源前設(shè)計濾波器。

電源端口基本濾波電路結(jié)構(gòu)見圖2。當(dāng)無PE時，共模電容省略。共模扼流圈在繞制中會產(chǎn)生1%左右的漏感，可直接利用來進(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(shè)計。需要強調(diào)的是，圖2所示濾波器在進(jìn)行PCB布板時，應(yīng)盡量擺放在靠近于端口的位置，且印制線走線應(yīng)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(shè)計

在設(shè)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(shè)計。盡量采用抗擾度高的器件，在功能滿足的情況下，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(shù)，在高頻時將會大大影響其濾波效果，所以對不同頻段的干擾信號應(yīng)選擇不同的濾波參數(shù)。以電容為例，其頻率阻抗曲線見圖3。這里需要強調(diào)的是，該類器件的引線過長時，其高頻下寄生參數(shù)會降低自身的諧振頻率，建議盡量采用貼片器件。一個常用的做法是選擇參數(shù)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(nèi)始終保持電容特性。

數(shù)字芯片均應(yīng)做去耦設(shè)計，特別是攜帶豐富高次諧波的數(shù)字電源引腳，通常用0.1uF電容與1nF電容并聯(lián)。對于數(shù)字芯片中因結(jié)構(gòu)、傳輸路徑等客觀因素影響的關(guān)鍵信號均應(yīng)做去耦設(shè)計，去耦時應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)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(shè)計時為保證足夠的屏蔽效能應(yīng)保證低接地阻抗，在此不作詳細(xì)說明。

5 結(jié)構(gòu)級、PCB級設(shè)計

結(jié)構(gòu)上需要考慮靜電放電、射頻電磁場輻射、輻射發(fā)射三項EMC試驗項目，下面主要以因結(jié)構(gòu)限制，在PCB設(shè)計中常出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析。

常見問題一，儀表因自身結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部常由幾塊PCB構(gòu)成，PCB之間通過插針、互聯(lián)排線等連接，如何進(jìn)行EMI防護(hù)?

這些都是EMC最為脆弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)連線長度與干擾頻率的波長可比擬時，既容易接收到外界的干擾，也容易將內(nèi)部干擾帶出產(chǎn)品，引起EMI超標(biāo)。

設(shè)計時可從以下三方面著手解決：①對插針中傳遞的信號進(jìn)行濾波;②盡量減少插針、互聯(lián)排線的長度(從工藝角度可將其捆扎);③增加地針數(shù)目，最好采用“地--信號1--地--信號2--地--信號3--地”方式，減少信號的回路面積，降低不同PCB之間的Zgnd.

常見問題二，針對液晶顯示屏，LED指示燈，孔縫等如何進(jìn)行靜電ESD防護(hù)?

在設(shè)計中建議對液晶顯示屏采取透明材料絕緣處理，或增大與內(nèi)部電路的放電距離。

PCB布線時應(yīng)注意：①濾波器設(shè)計時不要讓輸入輸出分開，避免耦合，最好采用“一”或“L”型;②對關(guān)鍵芯片的敏感信號去耦時，去耦電容應(yīng)緊靠其管腳，以減小回路面積;③敏感信號不能從晶振底部穿越，也不能離靠近儀表端口，長距離傳輸時，應(yīng)注意采用包地方式;④盡量縮短關(guān)鍵信號的傳遞路徑距離，采用伴地設(shè)計時，注意增加地過孔的數(shù)目;⑤注意不要讓敷地存在地割裂情況;⑥通過增加距離來降低相信號通道間的空間耦合;⑦通過正交來解決PCB頂層和底層信號的相互影響;⑧模擬地和數(shù)字地在一點處連接，A/D通常視作模擬器件。

常見問題三，如何“接地”?一個產(chǎn)品只有一個接地點。因而，對于接地點位置的選擇十分重要，設(shè)計時應(yīng)保證接地點位于干擾信號注入端口且具有低的接地阻抗，通過電容可對共模干擾信號能進(jìn)行旁路。若儀表端口設(shè)計時預(yù)留了一個接地端子，可以是前端三相四線輸入電壓(La、Lb、Lc、N)的保護(hù)地PE，也可以是其交流工作電源(L、N)的保護(hù)地PE或者還有可能是RS485通訊(A、B)的保護(hù)地PE/屏蔽地FG。

地設(shè)計時還應(yīng)保證這個地是干凈的地，即EMC中所述的“靜地”。當(dāng)?shù)夭桓蓛魰r，共模干擾信號可能會從地反竄流入信號造成地污染，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計和PCB設(shè)計時，常用做法是在端口預(yù)留一塊銅箔，讓其與內(nèi)部其它信號分割開來，且留有一定的距離(安全要求考慮)。

6　結(jié)束語

電子產(chǎn)品在進(jìn)行功能設(shè)計時，就需要進(jìn)行電磁兼容方面的考慮，電力監(jiān)控用電力儀表也不例外。EMC設(shè)計需要從原理圖、PCB和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行綜合考慮，并根據(jù)實際情況進(jìn)行相互調(diào)整，這樣才能最大程度的降低EMC風(fēng)險，減少EMC整改成本，最終滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。