瞬态脉干扰的抑制解析

瞬态脉干扰的抑制解析第1页/共34页

第七课瞬态脉冲干扰的抑制第2页/共34页3瞬态干扰对设备的威胁电快速脉冲电快速脉冲浪涌静电放电静电放电电源端口信号端口浪涌静电放电

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、静电放电第3页/共34页4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。电感性负载第4页/共34页感性负载断开时产生的干扰VLVLt电源回路中的电流（电压）I0VdcC特点：脉冲串第5页/共34页6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。I0VdcCt电源回路中的电流（电压）瞬态干扰产生的机理第6页/共34页两种触点击穿导通机理气隙上的电压击穿电压维持电压320V0.08mm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。辉光放电第7页/共34页8阳极(+)阴极(－)电子流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10－30V，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

弧光放电第8页/共34页9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tI0VdcC第9页/共34页静电放电现象

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1ns100ns＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放电电流IIt放电电流第10页/共34页11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。第11页/共34页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I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第12页/共34页浪涌试验波形第13页/共34页

直接雷、感应雷直接雷：感应雷：第14页/共34页瞬态干扰的频谱A0.5A2A1/1/tr时间频率瞬态类型tr1/1/trA2AEFT5ns50ns6.4MHz

64MHz

4kV0.4V/MHzESD1ns30ns10MHz

320MHz

30A1.8A/MHz浪涌1.2s50s6.3kHz

265kHz

4kV0.4V/MHz第15页/共34页瞬态干扰抑制原理低通滤波器：截止频率小于1/分压法：电阻电感电容分流法：压敏电阻瞬态抑制二极管气体放电管电容＋电阻第16页/共34页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

抑制高频差模干扰第17页/共34页18电路结构浪涌注入端被保护电路端浪涌注入端被保护电路端滤波器与瞬态抑制器共用滤波器的电路结构RLRLRCL消除感性负载干扰第18页/共34页19低通滤波器对脉冲干扰的抑制AfILf+fCOfCOAf输入脉冲频谱滤波器特性输出脉冲频谱2VIPd2VIPd

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第19页/共34页20Fco<1/Parseval定律：时域中的能量等于频域中的能量：00V2(f)df=V2(t)dtfco00(2VIN)2df=V2OUTdtout=1/fco(2VIN)2fco=V2OUT/fcoVout

/Vin

=2fcoinfcooutVout和Vin分别为输出和输入滤波器的脉冲峰值第20页/共34页对滤波器的要求若：

fCO=0.01则：VOUT/VIN

0.04因为：VOUT/VIN=

2fco

=

3.54fco400V16V200V8V100V4V=10sfco=1kHz=5sfco=2kHz=0.15sfco=66kHz第21页/共34页Fco>1/VOUT=VP(f)f1=2VIN

/=2VIN

/fcoVINVOUTVOUT/VIN=2/小于1输出脉冲的幅度略有降低，难以满足要求。第22页/共34页低通滤波器对瞬态干扰的抑制VOUT/VIN-10-20-30-40fCO1/20.10.010.0010VOUT/VIN=

2fco第23页/共34页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。第24页/共34页消除感性负载干扰RCLRLRLLRL非线性器件，可能更好第25页/共34页阻尼电路参数确定R:越大，开关闭合时限流作用越好越小，开关断开时反充电压越小V/Ia<R<RL折衷C:没有电离时，L中的能量全部进入C，VC=I(L/C)1/2为了防止发生辉光，VC<300VC>(I/300)2L为了防止发生弧光，电容充电速率要小于1V/s，C>10-6I第26页/共34页瞬态干扰抑制器件瞬态抑制二极管瞬态干扰气体放电管压敏电阻VIVIVI

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第27页/共34页28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220500钳位电压较高电流容量不大有残留尖峰和跟随电流瞬态注入端被保护电路端第28页/共34页29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。第29页/共34页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。第30页/共34页ESD产生的电磁场510151234电