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欢迎各位同学继续回到电磁兼容的课堂

今天我们讲第十五讲电磁干扰抑制技术

上一节介绍了电磁干扰的隔离方法

主要是通过阻断干扰的传输通道来实现的

然而在大多数情况下

希望削弱电磁干扰的强度

使之不至于产生电磁干扰

电磁干扰分为共模干扰和差模干扰

那抑制共模干扰的目的是什么呢

共模干扰在什么情况下会对负载产生影响

如何防止这种影响呢

首先我们来讨论一个问题

如何消除外界磁场对传输通道回路的干扰

第一种方法

就是平衡电路

所谓的平衡电路

就是将电源、源电阻、负载电阻等

把它一分为二

从中间点接地形成一个对称的结构

它的目的

就可以减小共模干扰信号对回路的干扰

我们来看看

形成了这种对称结构

在负载上产生的电压

可以用这个公式来描述

地回路的干扰电流Iɴ₁和Iɴ₂

如果二者相等

这样地回路就不会在负载上产生干扰

因此信号源和负载

只要符合平衡电路的条件

就能够实现对电磁干扰信号的抑制

实际中完美的平衡电路很难实现

平衡电路对电磁干扰的抑制是有限的

这个图给出了

如果源和负载相距很远

我们可以采用同轴电缆作为它的连接线

也可以形成一种平衡电路的结构

怎么来衡量平衡电路的效果

一般采用共模抑制比

又称为平衡系数

共模抑制比

是表征平衡电路对共模电磁干扰信号的

抑制能力

共模电压Vɴ及其在负载上产生的

差模电压降Vᴍ之比

就是共模抑制比

然后我们把它用对数的形式来描述

实际中

我们可以把导线对地的电压Vᴄ

就作为共模电压

而把导线之间的电压可以作为差模电压

共模抑制比越高

它抑制共模的能力就越强

完全的平衡电路它的数据信号中

是没有差模影响的

但实际中是很难做到

实际平衡电路的共模抑制比

一般在60~80dB

要高于这个值还需要采用屏蔽等抑制措施

下面我们来看一个例子

没有屏蔽时

每个连接线上测得的共模电磁干扰信号

电压为300mV

负载上的差模电磁干扰信号

电压降为300μV

这样的话它的共模抑制比是60dB

我们采取屏蔽措施后

连接电线上

测得的共模电磁干扰信号电压降为15mV

负载上测得的差模干扰信号电压降为15μV

在这种情况下

它对应的共模抑制比还是60dB

这两个平衡系统

虽然它的共模抑制比都是60dB

但后者

由于屏蔽对电磁干扰信号的抑制能力

改善了26倍

改善后的平衡电路

对电磁干扰的抑制能力达到了86dB

对于一些不平衡电路

我们可以把它转化为平衡电路

例如放大器的电路

我们可以在靠近放大器这边

加个1:1的变压器

让它的中线点接地

这样来构成一个基本的平衡电路

另外我们也可以在源端跟负载端

采用两个1：1的变压器

来构成一个完全对称的平衡电路结构

在第一个图中

它的中线点接了一个电阻

那这个电阻的作用是干什么呢

它可以抑制共模干扰电流

另外我们可以把平衡电路应用于差分放大器

这是一个双端输入的结构

这是一个单端输入的结构

我们可以得到它的一个等值的电路

在等值电路中

辅助电源-Vc和射极电阻Rᴇ

稳定差分放大器工作的电流

改善放大器的性能

Rᴇ对共模干扰信号有很强的电流负反馈作用

Rᴇ值越大

对共模电磁干扰信号抑制的能力就越强

另外我们来看看

另外一个平衡电路的例子

就是扭绞线

我们知道两根导线靠近的时候

它们之间就会有感性耦合

怎么消除两个回路之间的感性耦合呢

我们知道计算两个回路之间的互感的公式

可以看出

它是两条对角线的乘积与两个边的乘积相除

这样怎么能实现相除之后

它们的比值是等于1

我们发现可以采用这种垂直的排列

也就是把它扭过来

当这两个导线垂直的时候

它们之间的互感就是为0

这就是我们平时经常看到的扭绞线的结构

它把导线扭起来

相邻的两个回路之间的电流是相反的

可以实现感应电流的抵消

从而消除了互感对这个回路的影响

另外扭绞线还有另外一个作用

由于相邻回路它的电流方向是反的

这样的话

它们在环境中产生的

电磁场就会相互抵消

因此采用扭绞线

不但可以消除导线之间的感应耦合

另外还能够消除对环境的电磁影响

第二个设备是抗干扰变压器

传输低电平信号的变压器

容易受到外界磁场的干扰

抗干扰变压器

一般指变压器采用环形磁路和对称绕组

如图所示来提高抗磁场干扰能力

两个绕组的绕向相同

其中一对同名端相接

另一对同名端作为引出端

这样外界磁场的干扰就不呈现在引出端

另一类防护电磁干扰措施是保护器件

如果电磁干扰与信号的频率是在同一个范围

那么怎么来防护呢

一种措施是泄放

采用放电管

包括放电间隙

火花间隙

这样的话会对信号造成影响

另一类是限压

包括氧化锌压敏电阻

齐纳二极管

TVS晶闸管等

它就相当于

一个碾路机一样

把高于一定值的电磁干扰都把它

削弱掉

气体放电管是密封于放电介质中的放电间隙

放电管的基本原理是气体放电的理论

当施加冲击之后

气体放电管进入非自持放电

然后过了一段时间转入自持放电

在放电的起始阶段会产生一个尖峰

然后转入到下一个阶段

形成辉光放电

过了一段时间再进入电弧放电阶段

气体放电管的主要参数包括直流击穿电压

冲击击穿电压

冲击放电电流

交流放电电流

绝缘电阻和电容等

关于气体放电管是否可以用于电源保护

长期存在歧义

上世纪60年代所使用的放电间隙

是处于原始状态的简单的放电开关

存在诸多缺点

这一类产品不能用于电源保护

它的点火时的击穿时间长

残压高

引燃时有火花外泄

安全性差

另外引燃后的电弧电压只有几十伏

易发生续流且不能自行遮断

2002年以来克服了简单放电开关的缺点

能有效保护各种电源

不容易发生续流或能自行遮断续流

电压的保护水平小于2000伏

引燃时没有火花外泄

使用安全

另外尺寸小

安装使用方便

一个18mm的单模块的电流峰值

可以达到20kA

35mm的单模块峰值

可以达到50kA

第二类保护器件是氧化锌压敏电阻

它是以氧化锌为主成分的

金属氧化物半导体非线性材料

它的核心

就是在氧化锌晶粒之间形成了一个晶结层

晶结层就像一个门一样

随着外加电压的不同

门的打开的程度不一样

当电压超过一定的程度的时候

这个门就全部打开

在低压保护中

氧化性压敏电阻是并联运行

并联电阻的一个问题就是

压敏电阻滑片

它的性能存在较小的差异

这样的话

会在并列运行中

存在某一片划片承担过多的电流

这样在长期运行下会发生破坏

第三类器件是瞬态电压抑制二极管

也称齐纳TVS二极管

TVS二极管的工作原理是PN结反向电压增加

通过空间电荷区的电子和空穴

在电场作用下获得了更多的能量

并不断的与晶体原子发生碰撞

使共价键中的电子激发形成自由电子空穴对

新产生的电子和空穴也向相反的方向运动

重新获得了能量后

再次通过碰撞而产生电子空穴对

形成载流子的倍增效应

当反向电压增大到某一数值后

载流子的倍增情况就像雪崩一样

最终PN结发生雪崩击穿

反向电流剧增

用于抑制过电压的齐纳二极管

实际上是具有较大截面积的硅PN结

该PN结工作在雪崩状态

这个图是单极型的

齐纳二极管的伏安特性

右边是给的双极型的齐纳二极管的伏安特性

第四类是TVS晶闸管

它是一种门极由雪崩二极管控制的

可控硅型TVS器件

加正向电压时两个PN结正向

另一个PN结反向偏置

如同一个反向偏置的二极管

泄露电流由NP结决定

电压增加时NP结工作于雪崩状态

TVS处于导通

相当于正向PN结

TVS晶闸管先由NP雪崩机理起作用

当雪崩电流足够大时

可控硅开通

由正向偏置的PN结起作用

我们再来看看这个图

给出了气体放电管

TVS二极管以及压敏电阻的伏安特性

冲击施加之后

二极管会产生一个尖峰

然后维持一个低的残压

氧化性压敏电阻会维持一个比较高的残压

而TVS可以把固电压限制的更低

不同的器件

它的应用场合怎么样

包括低频 高频 电源 还有信号

保护电路

我们对它的性能会提出很多的要求

首先它要过电压钳位能力强

被保护两端接近系统最大工作电压

其次它具有强分流能力

保护电路吸收最高瞬变能量而不致损坏

另外正常工作时

保护电路对系统的影响可忽略不计

它的并联电阻应足够大

串联电阻和并联电容充分小

对持续或连续的过载过程起保护作用

而不致损坏本身

另外它的性能应该是可恢复的

瞬变过程结束后

应即可恢复正常

它不是一次性的恢复

而是多次性的恢复

另外还要具有快速响应时间

静电放电的响应时间要求达到了1ns

还必须体积小

廉

易于维护

对于这种冲击保护器或者浪涌保护器

有三种主要的类型

一种是电压开关型

在没有冲击时它呈现一种高阻状态

当出现冲击电压时突变为低阻状态

第二种是限压型

就类似于压敏电阻

第三种是组合型的SPD

它是由电压开关型组件和限压型组合而成

这个图给出了

浪涌保护器的一个基本保护原理

前面有一个泄流模块

把冲击电流大部分经过这模块进行泄放掉

中间有一个限流的模块

然后用氧化锌压敏电阻

形成了一个限压的模块

然后再串接一个阻流的模块

最后面一个采用TVS二极管

形成一个精确的钳位

下面我们来看一下

在非平衡线路信号通道输入端的保护

这是它的一个保护电路

包括了放电管和TVS二极管

中间在回路中串了电阻和电感

在回路中串入电阻的作用是什么呢

TVS二级管是用于保护负载的

而放电管是用来保护TVS二极管的

为了让放电管能够击穿

所以我们必须在回路中

加入电阻来抬高放电管这个位置的电位

让它能够动作

起到保护的效果

这样的话

如果TVS二极管的反向击穿电压是为Vd

放电管的直流击穿电压为Vɢ

P是TVS二极管之最大稳态功率额定值

这个限制电阻R就由这个公式计算得到

对应于平衡线路的信号通道的保护

可以采用三级防护电路

由放电管 MOV和TVS二极管构成

采用三电极放电管

可以保护平衡线路的结构

另外对于直流稳压电源的负载端

也要采用保护措施

除了在源边采用TVS二级管

或者是压敏电阻来进行保护之外

在源边和负边之间还要加上一个二级管

防止负边的电压升高的时候

把稳压电源把它打坏

这个图给出了交流电源保护电路

电感和电容

构成了对高频干扰具有抑制作用的滤波电路

能够有效的防护差模方式和共模方式的侵入波

它的第一级为泄流电路

所选的限压元件通流容量大

第二级为限压电路

所选限压元件的非线性特性要好

残压水平要低

在一 二级间须串入合适的元件

实现两级之间电路的配合

这个图给出了一个保护器系统的配合

一个建筑物从它的入端一直到用户端

在不同的位置

应该采用不同的参数的压敏电阻或者保护器

来实现有效的防护

最后总结一下

采用平衡电路可以有效地抑制共模干扰

不平衡电路可以转化为平衡电路

采用扭绞线的平衡结构可以减小感性耦合

保护元件包括气体放电管

MOV 齐纳TVS二极管 TVS晶闸管

对于要求高的设备可采用多级保护

分开距离较远的保护器之间的配合

要考虑连接线的作用

这就是这一讲的内容

谢谢各位同学