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        技術交流
        高壓開關柜溫濕度控制器的電磁兼容設計
        發布日期:2011-03-23 16:51:10
         

        摘要:討論了外部騷擾源的產生原因,著重介紹了防靜電干擾、防電磁輻射干擾、抗衰減振蕩波干擾、抗浪涌(沖擊)干擾以及抗快速瞬變脈沖群干擾等措施,提供在實驗結果的基礎上進行改進的方法。討論了內部騷擾源抗干擾設計時應著重考慮的問題,并對軟件抗干擾的設計做了簡要說明。

        關鍵詞:溫濕度控制器;電磁兼容;騷擾源;高壓開關柜

         

        O 引言

        隨著各種控制裝置朝著計算機化、網絡化、智能化,以及保護、控制、測量和數據通信一體化方向發展,計算機軟、硬件設計越來越復雜,致使這些裝置對電磁騷擾具有更明顯的敏感性和脆弱性。設備工作在電磁環境極其惡劣的變電站中,電磁兼容水平、可靠性等因素對裝置的安全、穩定工作的影響是極其重要的一方面。

        國內生產的高壓開關柜內部仍然采用模擬電路構造的簡易溫濕度測控裝置,高壓開關動作的計數裝置仍然采用機械式結構。溫濕度測控裝置的測點單一,而且一般在裝置內部,精度低、無讀數,高壓開關動作計數部件技術含量及可靠性低。針對以上問題設計的控制器,集計數器、溫濕度控制器于一體,其中控制單元采用穩定性較高的AVR單片機,可高速檢測兩路高精度溫度傳感器和兩路濕度傳感器;高壓開關動作次數采用兩路電子式記錄儀記錄。溫濕度控制器系統結構如圖1所示。

        1 系統外部騷擾源抗干擾設計

        系統外部騷擾源主要有以下幾種類型:

        (1)高壓回路中操作隔離開關及斷路器引起的電氣暫態現象。

        (2)高壓裝置產生的工頻電場和磁場。

        (3)接地系統中的短路電流引起的電壓升高。

        (4)雷電引起的電氣暫態現象。

        (5)低壓設備分合操作引起的快速瞬變干擾。

        (6)靜電放電干擾。

        (7)設施內部其他電氣或電子設備產生的高頻傳導和輻射騷擾。

        11 防靜電放電(ESD)干擾

        作為設備的外殼端口,任何暴露部分都可能發生靜電放電。常見的情況是在鍵盤、控制部件、外界電纜等部位或在直接接觸的金屬構件表面發生靜電放電。靜電向附近導體(可以是設備本身的非接地金屬板)放電會產生很大的局部瞬態電流,這個電流通過電感或公共阻抗耦合到設備中產生感應電流。如果感應電流流過數字設備時,很可能使數字電路發生誤動作。靜電放電保護措施有:設備全部采用塑料外殼;面板使用覆膜按鍵;機箱良好接地。一般來說,只要注意接地及機箱結構設計,裝置就能夠順利通過靜電放電干擾試驗。

        12 防輻射電磁場干擾

        輻射電磁場干擾對集成電路型裝置影響較大,但是,輻射電磁場干擾對本裝置影響較小。很多是由于開關電源在施加輻射電磁場干擾時不能夠穩壓引起的。該裝置并沒有采用開關電源,在輻射電磁場干擾措施上只采取了在機殼內部覆蓋鋁膜的方法,通過了1 Vm、3 Vm10 vm 3種場強等級的試驗。

        13 1 MHz100 kHz衰減振蕩波干擾

        1 MHz100 kHz衰減振蕩波干擾主要是模擬變電站的高壓母線的開關操作出現隔離刀閘的合、分操作引起的陡波瞬態,屬于“阻尼振蕩瞬態脈沖群(阻尼振蕩波)”。1 MHz100 kHz脈沖群干擾通過傳導、電容耦合及磁場耦合等方式影響裝置。只要在各個電源、信號及控制線端口對大地加入耐壓值較高的0.1μF0.01μF解耦電容,構成泄放回路,即可采用共模、差模兩種形式抑制該瞬態騷擾。

        14 抗浪涌(沖擊)干擾

        浪涌呈脈沖狀,其波前時間為數仙s,脈沖幅度從幾百V到幾萬V,是一種持續時間長、能量較強的干擾。浪涌干擾可能會影響電子設備的正常工作,甚至燒毀元器件。電子設備只能依靠過電壓保護或浪涌保護器件來抑制浪涌干擾,通過浪涌保護器件動作將浪涌電流泄放至大地。在電源接口采用了添加瞬態抑制二極管(TVS)的方法,取得了滿意的效果。

        15 抗快速瞬變脈沖群干擾

        瞬變干擾是電磁兼容試驗中最難通過的,新標準取消了25 kHz脈沖重復頻率,而增加了100 kHz脈沖重復頻率拉J,因此,新的標準把測試頻率提高,其本質上也是提高了試驗的嚴格程度。瞬變干擾的起因有很多,如開關動作、電網故障、自然現象等。電源回路瞬態包括差模和共模兩種形式。差模尖峰電壓往往有較慢的上升時間和較高的能量,為了防止輸入電路損壞,對瞬變干擾采取以下措施:使所有外界接口在空間上相互靠近;采用光電耦合器隔離敏感信號接口;電源接口添加瞬態抑制二極管(TVS)。

        16 試驗結果

        實施以上措施后,根據IEC 61000標準進行了試驗,結果如表1所示。

        雖然通過了大部分的電磁兼容試驗,但在快速瞬變脈沖群干擾試驗中出現了暫時眭的功能喪失。究其原因,是通過電源接口竄入的干擾。在電源端口加裝濾波器抑制30 MHz以下頻率范圍的噪聲,用鐵氧體磁性材料抑制高頻電磁干擾是經濟簡便而有效的方法,如圖2所示。

        插入損耗IL和抑制元件的阻抗有如下關系:


        zs一源阻抗;ZL一負載阻抗;z一抑制元件的阻抗

        2鐵氧體抑制元件應用電路

         

        由式(1)可知,在源阻抗和負載阻抗一定時,抑制元件的阻抗越大,抑制效果越好。在低頻端,鐵氧體損耗電阻較小,主要是感抗起作用;在高頻端,鐵氧體損耗起主要作用。低頻時,干擾信號被反射而受到抑制,在高頻端干擾信號被吸收并轉換成熱能。經過改進,順利通過了抗快速瞬變脈沖群干擾試驗。

         

        2 系統內部騷擾源抗干擾設計

        21系統內部騷擾源

        (1)公共電源。這是典型的傳導干擾源。由于電源內阻不為零,尤其是在高頻頻段,電源除向設備提供有用的電能外,也提供了無用的成分。

        (2)PCB板上的振蕩器、時鐘電路、地址總線的低位數據線等產生的周期信號是產生輻射最強的信號。

        (3)芯片邏輯門的輸出狀態若發生變化,電源線和地線上會有電流突變(可能引起較強的電磁輻射),因此電源線和地線上的電感可以引起PCB板上電源線和地線上的噪聲電壓。電源線和接地線會產生串擾和公共阻抗噪聲。

        22 電源的抗干擾措施

        主機電路與外圍電路采用不同的電源供電。分散的、獨立功能的模塊分別供電。每個模塊上可再分別通過三端穩壓塊(7805、7812)穩壓。

        23 電路板的抗干擾措施

        印制電路板的布局與設計是否合理對系統的可靠性至關重要,因為它是噪聲產生、傳播和吸收的關鍵部位。設計時應注意以下事項:

        (1)印制電路板的尺寸、布線與分區要合理。尺寸過大使銅皮走線過長,噪聲影響加大;過小則影響散熱,使平行布置的導線間的干擾加大。在布線時應盡量減小線路所包圍的面積,以降低寄生耦合所產生的電磁干擾;同時注意避免出現大的環形,拐彎應有弧度,用地線屏蔽信號線等。在設計電路板時,應將模擬電路區、數字電路區和功率驅動區合理分開,減少相互問的干擾。IO驅動器件和功率放大器應盡量靠近印制板的邊緣及引出的接插件。在印制電路板上,地線、電源線及重要的信號線要盡量粗,信號線的過孔要盡量少,噪聲敏感線不要與高速線和大電流線平行,從高噪聲區來的信號要加濾波,每個IC元件要加一個去耦電容。印制電站板用的片狀濾波器,其引出線需套EMI吸收珠后再串接于需要抑制干擾的線路中。

        (2)科學接地。在設計地線時首先應將地線進行分類,對低頻電路采用一點接地,對高頻電路采用多點接地,同時數字電路與模擬電路應分別接地;噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些,同時在每一個元件的電源輸入端與地之間接一去耦電容以濾去噪聲干擾,在重要的信號線兩側加上保護接地MΩ。地線、電源線要盡量粗,整個電路板要按照單點接電源、單點接地的原則送電。

        (3)輸入/輸出的隔離與屏蔽要進行規劃。輸入/輸出信號可加上光電耦合器予以隔離,防止外圍器件動作產生的回流沖擊系統電路。

         

        3 軟件抗干擾技術

        除硬件的抗干擾設計外,軟件的抗干擾措施也能大大提高系統的防御能力,是防止和消除整個應用系統故障的重要途徑。在編制系統程序時主要采用了以下幾種軟件抗干擾技術:指令冗余、軟件陷阱、E2PROM中的數據保護及自動恢復、看門狗程序等。

         

        4 結語

        經過一段時間的試運行,設備運行穩定,沒有出現誤動和計數混亂現象。通過對該設備的電磁兼容的研究,為設計在惡劣環境中應用的嵌人式系統提供了非常實用的參考依據。

         
         
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