EMC保護(hù)電路及其應(yīng)用

　　電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

　　一、EMC保護(hù)電路

　　隔離

　　因?yàn)樾盘栯娐窡o法承受千伏級電壓，這種干擾必須排除在輸入電路之前，可以將其轉(zhuǎn)變成電流信號、然后轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉。地回路電流可以進(jìn)入接口并流過整個(gè)電路，一般需要電流隔離。在連接線較長或地回路電流較大的工業(yè)系統(tǒng)中，隔離是一種行之有效的辦法。

　　一個(gè)峰值為30A的ESD脈沖在地線上會(huì)產(chǎn)生幾十豪伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時(shí)間（30A/ns）可以在同樣的線路上產(chǎn)生高達(dá)幾百伏的感應(yīng)電壓，足以導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如此高的頻率將產(chǎn)生集膚效應(yīng)，使線電阻顯著增加。為了抵消這種效應(yīng)，需要采用大面積接地以獲得低阻特性。

　　快速上升脈沖將產(chǎn)生FTB和ESD干擾，通過電容耦合到低噪聲區(qū)域。在解決這個(gè)問題時(shí)，經(jīng)常有人錯(cuò)誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來提供一個(gè)隔離的電源，這種方法只能導(dǎo)致干擾進(jìn)一步擴(kuò)散，使整個(gè)電路受到影響。

　　氣體放電管

　　一種充滿氖氣的蝶形電容器。電壓超過100V時(shí)產(chǎn)生一個(gè)等離子區(qū)能夠限制最高電壓，它可以承受較大的電流，具有較小的漏電流，氣體放電管可吸收高壓瞬態(tài)脈沖。

　　壓敏電阻器

　　一種由金屬氧化物（主要為鋅）制成的保護(hù)器件。它的功能近似于齊納二極管，響應(yīng)速度比氣體放電管快，但漏電流比較高，尤其是在信號接近于鉗位電壓時(shí)。

　　Transzorb二極管

　　用于限制低壓信號的快速瞬變，其功率耗散能力受其尺寸的制約。同壓敏電阻類似，在接近擊穿電壓時(shí)有較大的漏電流。

　　ESD結(jié)構(gòu)

　　一種新穎的設(shè)計(jì)方案，它將雙向二極管集成在MAX202E，MAX485E和其他RS-232/RS-485收發(fā)器芯片中。它們具有低電容和低漏電流特性，適合于ESD和FTB保護(hù)。

　　扼流圈、鐵氧體

　　能衰減高頻和快變電壓峰值，但不能吸收額外能量。為避免諧振，總是和電容衰減器一同使用（類似于T型結(jié)構(gòu)的LC濾波器），這些器件經(jīng)常用來抑制共模干擾并作為主要濾波器件。

　　電容器

　　是重要的保護(hù)元件之一，具體應(yīng)用中需要考慮的參數(shù)包括：等效串聯(lián)電阻（ESR）、磁感應(yīng)系數(shù)、額定電流和額定電壓。

　　串聯(lián)電阻

　　是重要且廉價(jià)的保護(hù)器件之一，適當(dāng)?shù)剡x定電阻值和功率耗散值，可以替代許多昂貴的保護(hù)器件。

　　二、EMC保護(hù)電路的應(yīng)用

　　熱電偶

　　為避免由于地環(huán)路電流的影響造成信號失真，多數(shù)熱電偶應(yīng)用中在信號采集和信號處理之間提供電流隔離。如圖2，差分信號通過多路復(fù)用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，ADC的數(shù)字輸出信號通過光或磁耦合器傳輸。

　　熱電偶每個(gè)電極采用一個(gè)簡單的低通RC網(wǎng)絡(luò)（2kΩ 100nF）提供保護(hù)，另外，在電路公共端和設(shè)備機(jī)柜接地端之間還需接入一個(gè)具有高額定電壓的1nF電容，該電容器將ESD干擾旁路到地，維持直流電流的隔離。它同時(shí)組成一個(gè)電容分壓器，降低隔離電源的峰值電壓。由于漏電流在流過該保護(hù)串聯(lián)電阻時(shí)將引起靜態(tài)信號誤差，需考慮多路復(fù)用器、緩沖放大器等產(chǎn)生的漏電流。

　　MAX4052A多路復(fù)用器引腳兼容于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件4052，在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)保證最大漏電流不超過5nA，25℃時(shí)漏電流典型值為2pA，可能產(chǎn)生的最大誤差只有2μV。這個(gè)誤差是大多數(shù)熱電偶允許接受的。如果采用儀表放大器做信號緩沖（使用MAX4524四運(yùn)算放大器），將使泄漏電流在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)降低到100pA，25℃時(shí)典型值為1pA。另外，極低的輸入失調(diào)電壓溫漂系數(shù)（只有0.3μV/℃）使該緩沖器非常適合于高阻抗、小幅值信號源。

　　角度編碼器

　　角度編碼器可以用來測定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，精密的定位系統(tǒng)采用雙通道、正交差分正弦信號作為高精度轉(zhuǎn)子的位置指針，這樣的系統(tǒng)經(jīng)常需要采用RS-485/422串行總線來設(shè)置編碼器初始化參數(shù)，有時(shí)這些傳輸線需在遠(yuǎn)距離傳送幾kHz的模擬信號或速率為幾Mbit/s的數(shù)字信號（見圖3）。這種情況下無法采用大阻值串聯(lián)電阻或無源阻容網(wǎng)絡(luò)作為保護(hù)電路，圖中，終端電阻（通常為120ohm）用來防止信號反射。為滿足發(fā)送器與接收器共模電壓指標(biāo)的非對稱性（EIA-422A：-7V至+12V），需采用不對稱的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。也可以采用MAX490E RS-422收發(fā)器取代整個(gè)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，它集成有ESD和FTB保護(hù)電路。當(dāng)兩個(gè)分立的接地點(diǎn)之間具有較大的交換電流時(shí)，可在屏蔽層和大地之間串聯(lián)一個(gè)100Ω 的電阻，最好加上一個(gè)具有低ESR值的旁路電容。

　　如果系統(tǒng)需要浪涌保護(hù)，則采用外部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)可取的方法是在線路終端串聯(lián)限流電阻。這在接收端很容易實(shí)現(xiàn)，它只會(huì)產(chǎn)生微小的信號跌落。在發(fā)送端則需確認(rèn)大約10Ω的串聯(lián)電阻是否可以接受，因?yàn)镸AX490E的差分輸出阻抗大約為40Ω。實(shí)用電路中一般還在數(shù)據(jù)線上串接PTC保險(xiǎn)絲。

　　標(biāo)準(zhǔn)信號接口

　　一個(gè)±10V的接口，在電機(jī)控制應(yīng)用中經(jīng)常用來設(shè)置目標(biāo)位置，其應(yīng)用環(huán)境非常嘈雜，配線一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致24V工業(yè)電源損壞。信號線保護(hù)器MAX4506和MAX4507具有60Ω的導(dǎo)通電阻和全溫度范圍內(nèi)最大20nA的漏電流，提供了一個(gè)極好的接口保護(hù)，當(dāng)較大幅度的信號通過該芯片時(shí)，系統(tǒng)不受影響地通過該IC。如果干擾導(dǎo)致保護(hù)端信號超出電源電壓（正端或者負(fù)端），線保護(hù)器將對此故障信號呈現(xiàn)高阻。它可以承受36V的故障電壓（斷電時(shí)達(dá)±40V）。