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监控用电力仪表的电磁兼容设计与解决手段
发布时间:2014-12-31   点击次数:25423次

1 前言

电力行业常用的监控仪表与传统的电参量变送器相比,逐步向智能化、集成化、多功能化方向发展,并且在电磁兼容性能上也有很高的要求(EMS和EMI试验均有相关要求)。设计者如何选择适当的EMC设计方案,对产品设计的成败起到决定性作用。本文就如何进行电力监控仪表的电磁兼容设计进行了综合阐述。 

2 标准解读

2.1 判定标准

结?#29616;?#24037;业产品通用标准,电力监控用电力仪表需要满足的EM?#21360;ⅲ牛停上?#30446;及评判等级见图1.

2.2 标准解读

干扰通常分为?#20013;?#24178;扰和瞬态干扰两类。如广播电台、手机信号、步话机等属于?#20013;?#24178;扰。由于开关切换,电机制动等造成电网的波动,此类干扰我们称为瞬态干扰。图1中瞬态干扰包含:浪涌SURGE,静电ES?#27169;?#30005;快速脉冲?#28023;牛疲?B,电压暂降、短时中断和电压变化?#27169;桑校櫻懷中?#24178;扰包含:传导敏感度CS,辐射敏感度R?#21360;?/span>

评判等级?#20102;?#36848;的“性能不降低”,即干扰施加后,?#24067;?#26080;损害,干扰施加过程中无死机、复位、数据掉帧或误码?#24335;?#39640;等问题,好像无干扰施加到产品一样。通常?#20013;?#24615;的干扰的评判等级均采用此评判等级。瞬态干扰为偶然性发生,且引起的电网干扰时间不长,?#35797;?#26102;性能降低,也就是评判等级B.

2.?#22330;。牛停?#35797;验项目?#26696;?#25200;实质分析

(?#20445;?#28010;涌SURGE:波形?#20445;?50μs、8/20μs,是一种脉冲宽度为几十个μs的脉冲,是一种传导性干扰,因其脉冲携带较强能量,?#24066;?#35201;对所有功能端口做相应程度的防护,否则会引起内部电路元件的永久性硬损伤。

(2)静电ES?#27169;?#27874;形上升沿为0.7-?#20445;睿螅?#26159;一种脉冲宽度为几十个ns的脉冲,因其峰值电压?#27573;?#22312;数千至上万伏,故脉冲也具有一定的能量,须在端口做防护。由于其上升沿很陡,故其携带的高频谐波很丰富,可达500MHz,所以静电在仪表所有裸露的金属部件(包含端子,螺钉等)进行接触放电或孔缝(包含LED指示灯的开孔,各种散热和观察孔)时,或分别对水平耦合板和垂直耦合板间接放电时,均会在放电点?#24425;?#24418;成一个高频电场,通过空间对电路进行干扰,这种干扰是共模干扰。因此,静电设计时应注意端口保护和空间高频辐射场两方面内容。 
(?#24120;?#30005;快速脉冲?#28023;牛疲?B:波形上升沿为5ns,波形为数个周期脉冲串的组合,能量很低。干扰的性质和静电一样是共模,干扰路径既包括传导也包含辐射。

(4)传导敏感度CS:共模干扰,干扰频段从?#20445;擔埃耍齲?#21040;80MHz。在进行项目试验时,其干扰信号源至仪表的线缆长度与干扰频段(?#24120;埃停齲?#23545;应的波长λ的1/4比拟,故在施加干扰电压的调制频率超过?#24120;埃停齲?#26102;,因趋肤效应,干扰信号主要以空间辐射方式出现(低于?#24120;埃停齲?#26102;,主要还是以传导方式干扰)。

(5)辐射敏感度RS:共模干扰,干扰频段从80MHz到?#20445;牽齲?#38656;注意,外拖的线缆充当接收天线,干扰为电磁场的远场。

2.4 EMI试验项目?#26696;?#25200;实质分析

EMI试验包含传导发射CE?#22836;?#23556;发射RE。CE考察的频段为?#20445;擔発Hz~?#24120;埃停齲遙?#32771;察的频段为?#24120;埃停齲鷡?#20445;牽齲?#36890;常按A类设备要求。对电力仪表而言,主要考察其内部电源(通常为开关电源)、晶振(包括有源晶振和无源晶振)等主要骚扰源通过天线(由外拖线缆充当)形成的传导?#22836;?#23556;,在设计时应特别注意对上述骚扰源的处理。

?#22330;?#30005;磁兼容设计方法

?#24120;?电磁兼容设计的基本思路

出现EMC问题,必须有干扰源,耦?#19979;?#24452;及敏感设备三要素,缺少任何一个环节,均不能构成EMC问题。因此,针对EMC问题,其设计就是针对三要素中的一个或几个采取技术措施,限制或消除其影响,基本思路可分为“堵”和“疏”两类。“堵”就是通过增加共模?#30636;?#22120;,采用光耦等隔离或线缆套磁环等方式增加共模阻抗Z;“疏”就是通过电容形成高频通路,将共模干扰引入阻抗更低的地(PE)或金属壳。一个EMC设计往往可以通过既“堵”又“疏”的方式,在成本增加不大的情况下,可获得较好的EMC性能。

?#24120;病。牛停?#35299;决手段

屏蔽、接地和?#30636;?#26159;EMC解决的三种手段。在下文中将详细说明。

4  原理图级设计

在确定仪表需要满足的电磁兼容项目及试验等级后,在原理图设计?#26412;?#26377;必要对相关试验项目进行设计,最大程度降低电磁兼容风险和节省项目开发时间。

4.1 端口设计

仪表的端口包括电源端口及信号端口,在EMC测试项目中针对端口的试验包括浪涌SURGE,静电ES?#27169;?#30005;快速脉冲?#28023;牛疲裕攏?#20256;导敏感度CS,传导发射CE,电压暂降、短时中断和电压变化?#27169;桑校印?#22240;此在设计中应遵循先进行浪涌防护后进行隔离/共模?#30636;?#30340;顺序进行。

(?#20445;?#28010;涌防护设计

根据仪表端口的定义,浪涌分为差模浪涌和共模浪涌两?#24103;?#22914;信号端口(也包含工作电源端口)的进线和回线间为差模浪涌,电路的进线和回线分别对地(接地端子)为共模浪涌。

抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件,如气体防电管、压敏电阻、TV?#21360;?#19981;同的端口根据其功能,选用不同的组合方案进行浪涌的防护。例如,当仪表是三相四线输入,因为电压端口为高阻输入,在浪涌等级要求不太高时,一般无须采用压敏电阻和气体放电管。

(2)共模?#30636;?#22120;的设计

通过在端口附近设计共模?#30636;?#22120;,对共模干扰进?#20449;?#36335;。滤除共模干扰?#37096;?#37319;取设计隔离元件等增大共模阻抗的方式或通过电容接地(如果端口设计有接地端子,应满足相应安全要求)的方式来实现。

设计共模?#30636;?#22120;,首先应明确共模干扰的频段,以便选择合适的电?#23567;?#30005;容参数。若需要同时抑制低、中、高频的共模干扰,有时可采用低频和高频共模?#30636;?#22120;串联的方式来解决。

仪表电源端口往往采用开关电源,由于开关电源是一个重要的对外干扰源,需要在端口设计EMI?#30636;?#22120;。另外,从EMS角度考虑,由于隔离变压器的输入输出间存在较大的分布电容,高频共模干扰可以毫无衰减地从输入耦?#29616;?#36755;出,因此也需要在开关电源前设计?#30636;?#22120;。

电源端口基本?#30636;?#30005;?#26041;?#26500;见图2。当无PE时,共模电容省略。共模扼流圈在绕制中会产生?#20445;?#24038;右的漏感,可直?#27704;?#29992;来进行差模?#30636;ǎ?#33509;要加强差模?#30636;ǎ?#21017;可在扼流圈后增加差模电感设计。需要强调的是,图2所示?#30636;?#22120;在进行PCB布板时,应尽量摆放在靠近于端口的位置,且印制线走线应注意控制环?#35775;?#31215;,让?#30636;?#22120;获得最大的插入损耗。

4.2 敏感电路及器件设计

在设计中需要注意对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件的设计。尽量采用抗扰度高的器件,在功能满足的情况下,尽量降低晶振的频率,尽量选择上升沿较缓的器件。

电容、电感非理想器件的寄生参数,在高频时将会大大影响其?#30636;?#25928;果,所以对不同频段的干扰信号应选择不同的?#30636;?#21442;数。以电容为例,其频?#39318;?#25239;曲线见图3.这里需要强调的是,该类器件的引线过长时,其高频下寄生参数会降低自身的谐振频率,建议尽量采用贴片器件。一个常用的做法是选择参数相差?#20445;埃?#20493;的电容进行并联,以保证在其较宽的频段?#27573;?#20869;始终保持电容特性。

数?#20013;?#29255;均应做去耦设计,特别是携带丰富高次谐波的数字电源引脚,通常用0.1μF电容与?#20445;睿?#30005;容并联。对于数?#20013;?#29255;中因结构、传输路径等客观因素影响的关键信号均应做去耦设计,去耦时应注意不要影响信号的正常传输。

对于特别敏感的电路单元,在成本?#24066;?#21644;结构设计时应充分考虑,针对辐射试验项目(RS和RE)屏蔽材料选择铝或铜等金属,设计时为保证足够的屏蔽效能应保证低接地阻抗,在?#30636;?#20316;详细说明。

5 结构级、PCB级设计

结构上需要考虑静电放电、射频电磁场辐射、辐射发射三项EMC试验项目,下面主要以因结构限制,在PCB设计中常出现的一些问题进行分析。

常见问题一,仪表因自身结构紧凑,内部常由几块PCB构成,PCB之间通过插针、互联排线等连接,如何进行EMI防护?

这些都是EMC最为脆弱的环节,当连线长度与干扰频率的波长可比拟时,既容易接收到外界的干扰,也容易将内部干扰带出产品,引起EMI超标。

设计时可?#21491;?#19979;三方面着手解决:①对插针中传递的信号进?#26032;瞬ǎ虎?#23613;量减少插针、互联排线的长度(从工艺角度可将其捆扎);③增加地针数目,最好采用“地——信号1——地——信号2——地——信号3——地”方式,减少信号的回?#35775;?#31215;,降低不同PCB之间的Zgnd.

常见问题二,针对液晶显示屏,LED指示灯,孔缝?#28909;?#20309;进行静电ESD防护?

在设计中建议对液晶显示屏采取透明材料绝缘处理,或增大与内部电路的放电距离。

PCB布线时应注意:①?#30636;?#22120;设计时不要让输入输出分开,避免耦合,最好采用“一”或“L”型;②对关键芯片的敏感信号去耦时,去耦电容应紧?#31185;?#31649;脚,以减小回?#35775;?#31215;;③敏感信号不能从晶振底部穿越,也不能离靠近仪表端口,长距离传输时,应注意采用包地方式;④尽量缩短关键信号的传递路径距离,采用伴地设计时,注意增加地过孔的数目;⑤注意不要让敷地存在地割裂情况;⑥通过增加距离来降低相信号通道间的空间耦合;⑦通过正交来解决PC?#38706;?#23618;和底层信号的相互影响;⑧模拟地和数字地在一点处连接,A/D通常视作模拟器件。

常见问题三,如何“接地”?一个产品只有一个接地点。因而,对于接地点位置的选择十分重要,设计时应保证接地点位于干扰信号注入端口且具有低的接地阻抗,通过电容可对共模干扰信号能进?#20449;?#36335;。若仪表端口设计时预留了一个接地端子,可以是前端三相四线输入电压(La、Lb、Lc、N)的保护地PE,?#37096;?#20197;是其交流工作电源(L、N)的保护地PE或者还有可能是RS485通讯(A、B)的保护地PE/屏蔽地FG.

地设计时还应保证这个地是干净的地,即EMC中所述的“静地”。当地不干净时,共模干扰信号可能会从地反窜流入信号造成地污染,所?#36234;?#26500;设计和PCB设计时,常用做法是在端口预留一块铜箔,让其与内部其它信号分割开来,且留有一定的距离(安全要求考虑)。

6 结束语

电子产品在进行功能设计时,就需要进行电磁兼容方面的考虑,电力监控用电力仪表也不例外。EMC设计需要从原理图、PCB和结构等方面进行综合考虑,并根据?#23548;是?#20917;进行相互调整,这样才能最大程度的降低EMC风险,减少EMC整改成本,最?#31456;?#36275;相关标准的要求。

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