第六章 瞬态-2010

1、E EMMC C-7-7第七章 瞬态脉冲干扰的抑制瞬态脉冲干扰的抑制 江滨浩江滨浩E EMMC C-7-7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n 瞬态干扰：瞬态干扰：时间很短，频谱宽，幅度大的电磁干扰。n 常见的瞬态干扰常见的瞬态干扰：电快速脉冲、浪涌、静电放电E EMMC C-7-7 触点开关噪声及其抑制 浪涌噪声及其防护 静电放电干扰及其防护本章主要内容E EMMC C-7-7 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

2、人员对此应给予足够的重视。电感性负载电感性负载感性负载断开时产生的干扰E EMMC C-7-7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：脉冲串特点：脉冲串tE EMMC C-7-7n 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 )n 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。这种过程重复到由

3、于触点之间的距离增加，电容上的电压不能击穿触点为止。n 当电容不能通过击穿触点放电时，就通过电感回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。t电源回路中的电流（电压）瞬态干扰产生的机理瞬态干扰产生的机理I0VdcC寄生电容E EMMC C-7-7 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tI0V

4、dcCE EMMC C-7-7两种触点击穿导通机理-1气隙上的电压击穿电压击穿电压维持电压320V0.08mm 接触点距离 辉光放电辉光放电 气体电离气体电离气体电离气体电离自持放电自持放电辉光放电辉光放电起辉电压：起辉电压：。维持电压：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。E EMMC C-7-7阳极(+)阴极()电子流弧光放电弧光放电 金属气化金属气化金属气体桥弧光放电。维持电压一般为2030V，但但维持电流一般为维持电流一般为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

5、击穿电压维持电压30V接触点距离 两种触点击穿导通机理-2E EMMC C-7-7两种触点击穿导通机理-3避免触头气体击穿的两个条件 1) 使触头间电压始终保持低于击穿电压，防止辉光放电。 2) 使触头电压的起始上升率低于产生弧光放电的临界值(对大多 数触头来说1V/微妙微妙)，则不会产生弧光放电。E EMMC C-7-7两种触点击穿导通机理-4E EMMC C-7-7抑制开关触头暂态噪声方法RLRLRCL1. 接在电感负载两端的瞬态噪声抑制电路（提供放电通路）（提供放电通路）n R为电感器提供瞬态放电通路同时消耗稳态功率。如RRL，则开关断时，R两端瞬态电压峰值等于电源电压值，而开关两端的

6、“可能的开路电压可能的开路电压” 则等于电源电压的两倍。n R与C串联网络，稳态时它们不消耗任何功率，而在开关开 断瞬间，C相当于短路，并依靠R抑制/消耗瞬态电流峰值。较好E EMMC C-7-7阻尼电路参数确定R:越大，开关闭合越大，开关闭合时限流作用越好时限流作用越好越小，开关断开越小，开关断开时反充电压越小时反充电压越小V / Ia R RL折衷折衷C:没有弧光时，没有弧光时，L中的能量全部进入中的能量全部进入C，VC = I (L/C)1/2为了防止发生辉光，为了防止发生辉光，VC ( I / 300 ) 2 L为了防止发生弧光，电容充电速率要小于为了防止发生弧光，电容充电速率要小于1

7、V/ s，C 10- 6 IRCLE EMMC C-7-7消除感性负载干扰LE EMMC C-7-7接在开关两端的开关防护电路E EMMC C-7-7浪涌噪声(1) -静电放电现象放电电流放电电流 I特点：频率范围宽特点：频率范围宽n 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快速泄放，这就是静电放电现象。n 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1ns100nsIt放电电流E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7ESD对电路

8、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、寄生电容/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。直接传导直接传导电容耦合E EMMC C-7-7说明：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：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，幅度很大上升沿很陡，幅度很大。因此干扰很厉害。电压中等时：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

9、电，放电电流脉冲的上升沿较长放电电流脉冲的上升沿较长，所占频带较窄。电压很高时：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快速上升时间和高峰值电流，产生严重的问题。E EMMC C-7-7浪涌噪声(2) -雷电雷电E EMMC C-7-7 直接雷、感应雷E EMMC C-7-7雷电及其二次效应E EMMC C-7-7雷电及其二次效应E EMMC C-7-7雷电危害一般小于一般小于75kA最大可达最大可达300kA导体周围产导体周围产生强磁场生强磁场I特点：能量大特点：能量大浪涌主要是由雷电在电缆上感应

10、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E EMMC C-7-7雷电危害E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7瞬态干扰的频谱A0.5A 2A 1/1/ tr时间时间频率频率瞬态类型瞬态类型 tr 1/ 1/ tr A 2A EFT 5ns 50ns 6. 4MHz 64MHz 4kV 0.4V/MHzESD 1ns 30ns 10MHz 320MHz 30A 1.8 A/MHz浪涌浪涌 1.2 s 50 s 6.3kHz 265kHz 4kV

11、0.4V/MHzE EMMC C-7-7瞬态干扰抑制原理瞬态干扰抑制原理低通滤波器：低通滤波器： 截止频率小于截止频率小于1 / 分压法：分压法：电电 阻阻电电 感感电电 容容分流法：分流法：压敏电阻压敏电阻瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管电电 容电阻容电阻E EMMC C-7-7对策浪涌抑制器件浪涌抑制器件压敏电阻压敏电阻瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管低通滤波器低通滤波器上策上策下策下策并并 用用浪涌注入端浪涌注入端被保护电路被保护电路端端 抑制高频 差模干扰E EMMC C-7-7Fco 1 / Parseval 定律：时域中的能量等于频域中的能量：定律：

12、时域中的能量等于频域中的能量： 00V2(f)df =V2(t)dt fco00(2VIN )2df =V 2OUT dt out= 1 / fco(2VIN )2 fco =V 2OUT / fco V out / V in =2 fco outfco out Vout 和和 Vin 分别为输出和输入滤波器的脉冲峰值分别为输出和输入滤波器的脉冲峰值E EMMC C-7-7CS106 对滤波器的要求若：若： fCO = 0.01则：则：VOUT / VIN 0.04因为：因为：VOUT / VIN = 2 fco = 3.54 fco 400V 16V200V 8V100V 4V = 10 s

13、 fco =1kHz = 5 s fco =2kHz = 0.15 s fco =66kHzE EMMC C-7-7低通滤波器对瞬态干扰的抑制低通滤波器对瞬态干扰的抑制VOUT / VIN-10-20-30-40 fCO1/20.10.010.0010VOUT / VIN = 2 fco E EMMC C-7-7低通滤波器抑制脉冲的效果低通滤波器抑制脉冲的效果低通滤波器低通滤波器 可见，脉冲越窄，抑制效果越好。E EMMC C-7-7瞬态干扰抑制器件瞬态干扰抑制器件瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管压敏电阻压敏电阻VIVIVIu 共同特点是，当器件上的电压超过当器件上的电压超过

14、一定值时，器件的电阻变得很低，一定值时，器件的电阻变得很低， 分流作用，并将干扰能量泄放掉。分流作用，并将干扰能量泄放掉。E EMMC C-7-7瞬态干扰抑制器件瞬态干扰抑制器件 1000浪涌电压浪涌电压压敏电阻压敏电阻瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管220500钳位电压较高钳位电压较高电流容量不大电流容量不大有残留尖峰有残留尖峰和跟随电流和跟随电流瞬态瞬态注入注入端端被保护电被保护电路端路端utE EMMC C-7-7n 压敏电阻：压敏电阻： 特点：特点： 峰值电流承受能力较大，价格低。 缺点：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。n 瞬态

15、抑制二极管（瞬态抑制二极管（TVS）：）： 特点：特点： 响应时间短，钳位电压低（相对于工作电压）。 缺点：缺点：承受峰值电流较小。n 气体放电管：气体放电管： 特点：特点： 承受电流大，。 缺点：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：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。主要特点主要特点E EMMC

16、 C-7-7瞬态干扰抑制器件瞬态干扰抑制器件E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7E EMMC C-7-7气体放电管残留尖峰残留尖峰时间时间电压电压跟随电流跟随电流通常与瞬态二级管通常与瞬态二级管串联合用：有串联合用：有 没有跟随电流没有跟随电流 没有漏电流没有漏电流 钳位电压低钳位电压低E EMMC C-7-7作用在开关电源上的浪涌开关电源等效电路开关电源等效电路6kV

17、, 3kA1.2 50 s浪涌波形浪涌波形0 20 40 60 80 100 s0426kV0321kA浪涌电压浪涌电压电源上电压电源上电压流进电源的电流流进电源的电流E EMMC C-7-7浪涌抑制器件的保护作用开关电源等效电路6kV, 3kA1.2 50 s浪涌波形浪涌波形0 20 40 60 80 100 s0426kV0321kA浪涌电压浪涌电压抑制后的电压抑制后的电压流进电源的电流流进电源的电流流进抑制器的电流流进抑制器的电流大部分电流大部分电流流进了电源流进了电源E EMMC C-7-7TVS增容问题RR 1M1M不行不行可以可以最好最好E EMMC C-7-7地线反弹与对策地线反弹与对策若电流为若电流为5kA，地线阻抗为，地线阻抗为0.5 ，则反弹电压达到，则反弹电压达到2500V ! 较高的浪涌电压依然加在设备与地线上。较高的浪涌电压依然加在设备与地线上。 再并联一个抑制器VGVZ + VGVZ设备VGVZ设备E EMMC C-7-7静电放电现象放电电流 I1