电磁兼容第7章瞬态江滨浩.ppt
第七章 瞬态脉冲干扰的抑制,江滨浩,瞬态干扰对设备的威胁,电快速脉冲,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,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。,感性负载断开时产生的干扰,VL,VL,t,电源回路中的电流（电压）,特点：脉冲串,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)这个反电动势向电感的寄生电容C反向充电。随着充电电压的升高，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。这种过程一直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，就通过电感与电容回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。,t,瞬态干扰产生的机理,两种触点击穿导通机理,气隙上的电压,击穿电压,维持电压,320V,0.08mm 接触点距离,辉光放电 气体电离,气体电离自持放电辉光放电起辉电压：。维持电压：维持电压与触点的距离无关，在空气中大约为300V。需要一个最小电流，通常为几个 mA。,辉光放电,弧光放电 金属气化,金属气体桥弧光放电，所需要的电压梯度一般为0.5MV/cm。维持电压一般为1030V，维持电流一般为1A。当电压或电流不满足这个条件时，弧光放电就终止了。气体金属桥上的电流由电路电阻和电源电压决定。,击穿电压,维持电压,30V,接触点距离,弧光放电,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。,电源回路中的电流,t,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 通过接地导体泄放，这就是静电放电现象。静电放电产生电磁干扰的原因：放电电流具有很高的幅度和 很短上升沿，根据傅立叶变换，上升沿为1ns的脉冲，带宽达 到300MHz。,静电的产生：接触分离起电，摩擦起电，感应起电，传导起电,1ns,100ns,说明：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。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。,浪涌产生的原因,一般小于75kA最大可达300kA,导体周围产生强磁场,特点：能量大,浪涌主要是由雷电在电缆上感应产生的，功率很大的开关也能产生。浪涌的特点是能量很大，室内的浪涌电压幅度可达到6kV，室外会超过10kV。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,浪涌试验波形,直接雷、感应雷,直接雷：,感应雷：,瞬态干扰的频谱,瞬态类型 tr 1/1/tr A 2AEFT 5ns 50ns 6.4MHz 64MHz 4kV 0.4V/MHzESD 1ns 30ns 10MHz 320MHz 30A 1.8A/MHz浪涌 1.2s 50s 6.3kHz 265kHz 4kV 0.4V/MHz,瞬态干扰抑制原理,低通滤波器：截止频率小于1/,对策,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,电路结构,滤波器与瞬态抑制器共用,滤波器的电路结构,消除感性负载干扰,低通滤波器对脉冲干扰的抑制,A,f,IL,f,+,fCO,fCO,A,f,输入脉冲频谱,滤波器特性,输出脉冲频谱,2VIPd,2VIPd,相当于脉冲的上升时间和脉宽变大，而幅度没有减小。,假设滤波器与负载是阻抗匹配的，如果不匹配，输出为衰减振荡波形,Fco 1/,Parseval 定律：时域中的能量等于频域中的能量：,0,0,V2(f)df=,V2(t)dt,fco,0,0,(2VIN)2df=,V 2OUT dt,out,=1/fco,(2VIN)2 fco=,V 2OUT/fco,V out/V in=,2 fco in,out,Vout 和 Vin 分别为输出和输入滤波器的脉冲峰值,对滤波器的要求,Fco 1/,VOUT=VP(f)f1=2VIN/=2VIN/,fco,VOUT/VIN=2/小于1,输出脉冲的幅度略有降低，难以满足要求。,低通滤波器对瞬态干扰的抑制,低通滤波器抑制脉冲的效果,低通滤波器,可见，脉冲越窄，抑制效果越好。,消除感性负载干扰,RL,非线性器件，可能更好,阻尼电路参数确定,瞬态干扰抑制器件,基于气体放电机理的气体放电管。基于非线性电阻特性的压敏电阻和瞬态抑制二极管。共同特点是，当器件上的电压超过一定值时，器件的电阻变 得很低，从而将干扰能量泄放掉,瞬态干扰抑制器件,1000,浪涌电压,压敏电阻,瞬态抑制二极管,气体放电管,220,500,钳位电压较高,电流容量不大,有残留尖峰和跟随电流,压敏电阻：特点：峰值电流承受能力较大，价格低。缺点：钳位电压较高，随着受到浪涌冲击的次数增加，漏电增加，响应时间较长。瞬态抑制二极管（TVS）：特点：响应时间短，钳位电压低（相对于工作电压）。缺点：承受峰值电流较小。气体放电管：特点：承受电流大，。缺点：响应时间长，由于导通维持电压很低，因此会有跟随电流，不能在 直流环境中使用（放电管不能断），有残留尖峰。说明：浪涌抑制器件的失效模式一般为短路。这个特点一方面为电路保护提供了安全保障，不会发生器件失效。同时，也有可能造成电路工作的中断。,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、电容耦合、电感耦合等三种。直接传导，电容耦合和电感耦合：金属机箱或电缆上的静电放电电流产生的电磁场 通过寄生电容或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。,ESD 产生的电磁场,ESD常见问题与改进,单点接地,屏蔽场作用,ESD 常见问题与改进,ESD1,I1,ESD2,I2,二次放电,ESD1,I1,ESD2,铁氧体磁珠,高电位,0V,高电位,共模电流,增加与外壳间的距离,电缆上的ESD防护,
