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干货| EMC设计的Surge问题

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很多工程师在设计电路时,关于EMC(电磁兼容)设计,都不得半点含糊。为了保障电子设备正常运行、提升产品的系统稳定性、可靠性至关重要。



EMC(电磁兼容)是一门交叉信息学科。由于其特殊性,工程师们在工程实践中,都很棘手。很多玄学莫名其妙、难以定位问题根源。电磁场看不见、摸不着,在环境中波动大,难以按照前期的设计路径延伸,线缆传导和辐射、空间辐射、共模电压、差模回路、磁场和电场的互相转化等等诸多因素。从而也让很多入门级工程师望而退步:不好弄,太难了!

EMC三要素

EMC的重要理论:三要素(敏感设备、耦合途径、骚扰源)。其三者相辅相成,缺一不可。一旦三者任一条件不满足,整体就无法造成有效的骚扰。


对于EMC设计的Surge(浪涌)问题分析,骚扰源是已知的(Surge(浪涌)的波形);耦合途径(线缆、空间因素);敏感设备(接口器件、敏感信号)。


对照相关EMC测试项目,Surge(浪涌)总的来说速率较低,高频分量干扰也较低,常用测试波形10/700 μS、1.2/50μS。其泄放路径可以根据实际情况在电路设计时规划电路板的布局,良好的规划布局(泄放路径)能够有效解决三要素的耦合途径问题,从而达到解决EMC的问题的目的。


骚扰源

常见的有信号骚扰源、电源骚扰源、浪涌骚扰源。在关于浪涌骚扰源中,结合实际工程遇到的问题,因为电流或电压大于正常电路工作时的情况,会引起故障或者损坏电路。防止意外情况发生,在浪涌进入的路径终使用了浪涌释放元件。典型的浪涌有静电浪涌、雷击浪涌、开关浪涌。其中浪涌是EMC措施的类别之一。


静电浪涌

静电浪涌。当人体或设备所承受的很小(几百pF左右)的动态静电电容集聚的电荷,泄放到电子设备本体或者周围的物体上,由于电压很高(kV级别),且有较大瞬态电流经过。鉴于此,若直接加载到电路上,会损坏电路。或者是间接性的施加,当信号线受到电磁感应或当电源的电动势有波动,电路会发生故障。

根据IEC61000-4-2标准模拟静电浪涌测试。


空气放电、接触放电标准

空气放电、接触放电标准。

用绝缘体覆盖阻断放电,或用金属导体覆盖转移电荷。使用核实的浪涌释放元件,经过一个旁路释放放电电流。

释放放电电流

释放放电电流原理图

静电释放电流的典型波形如下:


静电释放电流的典型波形

开关浪涌

开关浪涌

在继电器开关时,切换开关的瞬态电流突然变化,因电路的固有电感、在接触点会造成瞬时高压,形成开关浪涌。

为减少开关浪涌的干扰,采用措施如下:

(1)在接触点使用电容、压敏电阻、缓冲回路等浪涌释放元件。

(2)使用屏蔽罩隔断电磁效应。

(3)使用EMI静噪滤波器用于噪声传递回路。

雷击浪涌

雷击浪涌

在日常生活中的下雨打雷天气情况下,雷击是一个自然现象。其鱼油巨大的能量,提供全方位的防止雷击保护是很难的。通常情况下,不是提供全方位的保护预防直接雷击,而是让电子设备主动保护,从而预防雷击浪涌。

雷击感应是电子设备周边发生雷击时,电源线缆等较长线路上出现感应电动势。其产生的雷击感应的原因分析:在下雨打雷时,雷击产生的电场,电荷感应到线缆,电荷通过雷击途径释放。可能还有因雷击电流产生的电磁场在线缆终产生感应电动势,能量巨大。

为了保护方式雷击感应,一般在电子设备电源线和通信线端口部分,设计浪涌吸收元件。


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