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电子产品中EMC隔离设计的方法

1、隔离分类

2、EMC中隔离分析

2.1、光耦隔离

2.二、继电器隔离

2.3.共模扼流圈(共模电感)隔离


在电子产品设计中,通常是为了切断产品内部电路和外部干扰传输通道,或为了安全隔离I/O在端口或内部电路信号传输过程中采用隔离技术EMC 其重要技术之一是试图通过隔离元件切断噪声干扰路径,从而达到抑制噪声干扰的效果。在低频情况下,采取隔离措施后,绝大多数电路都能达到良好的噪声抑制效果,使设备符合低频EMC的要求。

1、隔离分类

常见的电路隔离常用于以下情况:

对于模拟信号测量系统,其隔离电路相对复杂,既要考虑其精度、频带宽度,又要考虑其价格因素。

同时,有高电压、大电流信号、微电压、微电流信号,需要在一定频率下隔离。

数字输出系统主要采用脉冲隔离变压器隔离和光电耦合器隔离;数字输出系统主要采用光电耦合器隔离和继电器隔离,个别情况也可采用高频隔离变压器隔离。

一般来说,模拟电路与数字电路之间的转换是通过模/数转换器进行的(A/D)或数/模转换器(D/A)然而,如果不采取某些措施,数字电路中的高频周期信号会干扰模拟电路,影响测量精度。

为了抑制数字电路对模拟电路的干扰,模拟电路通常必须与数字电路分开布线,但有时不能完全消除数字电路的干扰。为了消除数字电路的干扰,数字电路可以与模拟电路隔离。常用的隔离方法是A/D在转换器和数字电路之间加入光电耦合器,将数字电路与模拟电路隔离。如果该电路不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题,则信号接收部分也与模拟处理部分隔离。

例如,在前处理级和模数转换器(A/D)在模/数转换器之间增加线性隔离放大器(A/D)光电耦合器用于与数字电路隔离,模拟地与数字地隔离。这样既防止了数字系统对模拟部分的干扰,又阻断了前电路部分的共模干扰和差模干扰。数模转(D/A)电路隔离与模数转换(A/D)电路隔离相似,因此采取的技术措施相似。

2、EMC中隔离分析

接下来,通过光耦隔离、继电器隔离和共模扼流圈(共模电感)隔离,了解EMC隔离设计方法。

2.1、光耦隔离

光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、无接触点等特点,广泛应用于各种电子设备中。光电耦合器可用于隔离电路、负载接口、各种工业产品、家用电器等电路。实现硬件上常用的光电耦合器"电—光—电"隔离可以在一定程度上破坏共模电流的进入,可靠地实现信号隔离,容易形成各种功能状态。

光电耦合器(以下简称光耦合器)可以切断电信号的直接连接,用光传输信号。光电隔离由光电耦合器完成。光电耦合器件是由光电耦合组成的电-光和光电转换器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)。下图为常用的三极管光电耦合器原理图,工作时以光为媒介传递信息,因此输入输出在电气上完全隔离。

寄生电容存在于光耦被光信号隔离的两端之间,一般为2pF,光耦能在高频率下提供良好的隔离。当电信号发送到光电耦合器的输入端时,发光二极管通过电流发光,光敏元件产生电流,光敏三极管导通;当输入端无信号时,发光二极管不亮,光敏三极管停止。对于数字量,当输入为低电平0时,光敏三极管截止;当输入为高电平1时,光敏三极管饱和导通。

由于光电耦合器件具有上述一系列特点,已广泛应用于电子产品,特别是测量控制系统,已成为接口技术中非常重要的隔离器件。

单片机有多个输入端口,接收远程现场设备的状态信号。处理完这些信号后,单片机输出各种控制信号进行相应的操作。当现场环境恶劣时,会有更大的噪声干扰。如果这些干扰与输入信号一起进入计算机系统,则会降低控制精度,导致误操作。

因此,信号和噪声可以在单片机的输入和输出端用光耦作接口隔离。"A/D转换器"数字信号输出处的光电隔离可以隔离模拟电路和数字电路,抑制共模干扰。对于线性模拟电路通道,光电耦合器必须具有线性转换和传输的特点。

在控制系统中,光电隔离广泛应用于开关量的控制,通常通过单片机I/O输出,而I/O驱动能力有限,一般不足以驱动一些电磁执行器件,需要连接驱动接口电路,为避免干扰,必须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路,电压较高,电流较大,不易与单片机直接相连,可应用光耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离,双向晶闸管隔离驱动原理图如下所示:

测控系统中,由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输,信号在传输过程中很易受到干扰,导致传输信号发生畸变或失真。此外,在通过长电缆连接的设备之间,由于设备之间的地线电位差(低频),低频共模地环电流往往会对电路形成差模干扰电压。为保证长期传输的可靠性,可采用光电耦合器隔离措施,提高电路系统的抗干扰性。如果传输线长,现场干扰严重,长线可以通过两级光电耦合器完全完成"浮置"如下图所示,传输长理,如下图所示:

长期传输的浮动是为了去除长期两端的公共地线,不仅有效地消除了公共地线产生的噪声电压,而且有效地解决了长期驱动和阻抗匹配的问题。同时,当受控设备短路时,还可以保护系统不受损坏。但是这种“浮置”只适用于低频,高频时,“浮置”将会出现严重的EMC问题。 很多人认为光耦是切断干扰路径的理想方法,但光耦虽然有上述优点EMC 应用光耦隔离时,还应注意以下事项:

1.光电耦合器的输入部分和输出部分必须采用独立隔离的电源。如果两端共用一个电源,光电耦合器的隔离效果将失去意义。即使是隔离电源,为了保证高频隔离效果,也必须保证电源的隔离度相当于光耦合,即两组独立电源之间的寄生电容相当于光耦合两端的寄生电容。否则,高频信号将通过电源进入隔离的另一侧,使隔离在高频下失效。事实上,由于电源隔离变压器一级之间的寄生电容相对较大,电源在高频下不能很好地隔离,降低了整个隔离效果。

2.使用光电耦合器隔离输入/输出通道时,必须隔离所有信号(包括数字信号、控制信号和状态信号),使隔离两侧无电气连接,否则隔离毫无意义。

3.多路信号隔离时,多路光耦并联使用,降低了整个电路的高频隔离度,因为多路光耦并联增加了光耦两端之间的总寄生电容,导致高频隔离效果恶化。

4.由于光耦不是高频意义上的完全隔离,因此在产品设计中,当干扰应用于光耦一端时,也应过滤光耦另一端的信号。

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