电磁兼容性（EMC）保护措施

摘要：理想的电子产品应该能够抵御任何外部的电磁干扰。采取线性滤波、合理的线路板布局、正确的电源设计和屏蔽措施可以有效地减少有源干扰。电磁干扰主要来自电源或由容性、磁性、电磁元件通过空气辐射传播，本文主要讨论如何保护设备不因外界有害电压或电流的冲击而损坏。   

关键词：EMC       ESD 电磁兼容性 隔离

有关部门很早就认识到EMC保护的重要性，并制定了相应的设备兼容性标准。例如，IEC1000-4标准测试方法，其中包括： IEC1000-4-2静电放电(ESD)测试方法， IEC1000-4-4快速瞬变(FTB)测试方法和IEC1000-4-5高能量瞬态响应(浪涌)测试方法，所有的测试方法都以电噪声的实际模型为准则

     一、EMC保护电路   

     隔离   

     因为信号电路无法承受千伏级电压，这种干扰必须排除在输入电路之前，可以将其转变成电流信号、然后转化成热量消耗掉。地回路电流可以进入接口并流过整个电路，一般需要电流隔离。在连接线较长或地回路电流较大的工业系统中，隔离是一种行之有效的办法。

     一个峰值为30A的ESD脉冲在地线上会产生几十豪伏的电阻压降，但是它陡峭的上升时间（30A/ns）可以在同样的线路上（假设线电感为1nH/cm）产生高达几百伏的感应电压，足以导致错误数据的产生，如此高的频率将产生集肤效应，使线电阻显著增加。为了抵消这种效应，需要采用大面积接地以获得低阻特性。   

     快速上升脉冲将产生FTB和ESD干扰，通过电容耦合到低噪声区域。在解决这个问题时，经常有人错误地在主电源变压器上增加额外的绕组来提供一个隔离的电源，这种方法只能导致干扰进一步扩散，使整个电路受到影响。   

     一种低成本的解决方案是采用MAX253驱动器构成前向电压转换器，提供隔离电压。MAX253具有小的封装，可提供有效的噪声屏障。微型变压器要求耦合电容低于10pF、功率1W、隔离电压为1kV（见图1）。

     气体放电管   

    一种充满氖气的蝶形电容器。电压超过100V时产生一个等离子区能够限制最高电压，它可以承受较大的电流，具有较小的漏电流。气体放电管可吸收高压瞬态脉冲，但是，由于生成等离子区需要一定的时间，它不能吸收快速瞬变脉冲，不能用作主要保护手段。

     压敏电阻器  

     一种由金属氧化物（主要为锌）制成的保护器件。它的功能近似于齐纳二极管，响应速度比气体放电管快，但漏电流比较高，尤其是在信号接近于钳位电压时。

     Transzorb二极管        

     用于限制低压信号的快速瞬变，其功率耗散能力受其尺寸的制约。同压敏电阻类似，在接近击穿电压时有较大的漏电流。节点电容较大，在快速瞬变系统中用二极管桥退耦。

     ESD结构  

     一种新颖的设计方案，它将双向二极管集成在MAX202E，MAX485E和其他RS-232/RS-485收发器芯片中（新推出的模拟开关，如MAX4558，也集成类似功能）。它们具有低电容和低漏电流特性，适合于ESD和FTB保护。

     扼流圈、铁氧体   

     能衰减高频和快变电压峰值，但不能吸收额外能量。为避免谐振，总是和电容衰减器一同使用（类似于T型结构的LC滤波器），这些器件经常用来抑制共模干扰并作为主要滤波器件。

     电容器

     是重要的保护元件之一，具体应用中需要考虑的参数包括：等效串联电阻(ESR)、磁感应系数、额定电流和额定电压。

     串联电阻

     是重要且廉价的保护器件之一，适当地选定电阻值和功率耗散值，可以替代许多昂贵的保护器件。

     二、EMC保护电路的应用

     为避免由于地环路电流的影响造成信号失真，多数热电偶应用中在信号采集和信号处理之间提供电流隔离。如图2，差分信号通过多路复用器馈送到仪表放大器的输入端，然后送入A/D转换器（ADC）转换成数字信号，ADC的数字输出信号通过光或磁耦合器传输。  

     热电偶每个电极采用一个简单的低通RC网络（2kΩ & 100nF）提供保护，另外，在电路公共端和设备机柜接地端之间还需接入一个具有高额定电压的1nF电容，该电容器将ESD干扰旁路到地，维持直流电流的隔离。它同时组成一个电容分压器，降低隔离电源的峰值电压。为进一步限制峰值电压，可以将一个压敏电阻和该电容并联。图中2kΩ电阻必须能够承受高压（8kV ESD），在FTB和浪涌测试中能够耗散相当大的功率。但是，由于漏电流在流过该保护串联电阻时将引起静态信号误差，需考虑多路复用器、缓冲放大器等产生的漏电流。   

     MAX4052A多路复用器引脚兼容于工业标准器件4052，在扩展温度范围内保证最大漏电流不超过5nA，25℃时漏电流典型值为2pA，可能产生的最大误差只有2μV。这个误差是大多数热电偶允许接受的。如果采用仪表放大器做信号缓冲（使用MAX4524四运算放大器），将使泄漏电流在扩展温度范围内降低到100pA，25℃时典型值为1pA。另外，极低的输入失调电压温漂系数（只有0.3μV/℃）使该缓冲器非常适合于高阻抗、小幅值信号源。   

     另外一个可替代方案是采用MAX1402单片信号采集器，该芯片内部包括Σ-Δ A/D转换器、缓冲放大器、多路复用器以及供传感器激励用的电流源，具有非常低的输入漏电流，大大简化了系统设计。

     角度编码器   

     角度编码器可以用来测定电机转子的位置，精密的定位系统采用双通道、正交差分正弦信号作为高精度转子的位置指针，这样的系统经常需要采用RS-485/422串行总线来设置编码器初始化参数，有时这些传输线需在远距离传送几kHz的模拟信号或速率为几Mbit/s的数字信号（见图3）。这种情况下无法采用大阻值串联电阻或无源阻容网络作为保护电路，图中，终端电阻（通常为120ohm）用来防止信号反射。该系统中首先需要提供ESD和FTB干扰保护，传统的数据收发器（图4）中，差分发送器输出电压由Transzorb二极管限制，接收器也带有同样的保护。为满足发送器与接收器共模电压指标的非对称性（EIA-422A:-7V至+12V）,需采用不对称的保护网络。发送器和接收器输入端具有相同的共模范围，可以采用同一个Transzorb二极管。也可以采用MAX490E RS-422收发器取代整个保护网络，它集成有ESD和FTB保护电路。实际应用中，收发器的地必须尽可能短距离的和机壳/大地相连接，如果采用屏蔽线，屏蔽层也需要短距离与此点相连。当两个分立的接地点之间具有较大的交换电流时，可在屏蔽层和大地之间串联一个100Ω 的电阻，最好加上一个具有低ESR值的旁路电容。

     如果系统需要浪涌保护，则采用外部保护网络，一个可取的方法是在线路终端串联限流电阻。这在接收端很容易实现，它只会产生微小的信号跌落。在发送端则需确认大约10Ω的串联电阻是否可以接受，因为MAX490E的差分输出阻抗大约为40Ω。实用电路中一般还在数据线上串接PTC保险丝（图4）。

     标准信号接口   

     信号传输模式的选择取决于系统的信号源和信号传输距离，对于宽带、远距离传输，经常需要将信号转换为高电平：0V至10V、-10V至+10V、4mA至20mA，或采用差分模拟信号，有些系统则通过有线、光纤、无线等方式传送数字信号，任何情况下，都需要将传感器尽量靠近信号源安装，以减小噪声影响。   

     一个±10V的接口，在电机控制应用中经常用来设置目标位置，其应用环境非常嘈杂，配线一旦发生故障将导致24V工业电源损坏。信号线保护器MAX4506和MAX4507具有60Ω的导通电阻和全温度范围内最大20nA的漏电流，提供了一个极好的接口保护，当较大幅度的信号通过该芯片时，系统不受影响地通过该IC。如果干扰导致保护端信号超出电源电压（正端或者负端），线保护器将对此故障信号呈现高阻。它可以承受36V的故障电压（断电时达±40V）。