瞬态脉冲干扰的抑制

瞬态干扰对设备的威胁
静电放电
电快速脉冲 浪涌
静电放电
电源端口
信号端口
静电放电
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ浪涌 电快速脉冲
瞬态干扰：指时间很短，但幅度较大的电磁干扰。常见的瞬态干扰（设备需要通过试 验验证其抗扰度）有三种：电快速脉冲（EFT）、浪涌（SURGE）、静电放电（ESD）。 电快速脉冲：由电路中的感性负载断开时产生。其特点是不是单个脉冲，而是一连串 的脉冲，因此，它对电路的影响较大。因为一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累 计效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限。从这个机理上看，脉冲串的周 期越短，则对电路的影响越大。因为，当脉冲串中的每个脉冲相距很近时，电路的输 入电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，容易达到较高的电平。 浪涌：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以达到6kV，室外往往会超过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。 静电放电：雷电现象实际就是一种静电放电现象，它对设备电缆的影响已经体现在浪 涌试验中了。实际环境中的另一类主要现象是人体接触设备时的静电放电。但在一些 标准中增加了比人体放电更严酷的装置放电。这些静电放电对设备造成的影响从本质 上讲以辐射干扰为主，这在后面详细介绍。 三种瞬态干扰的比较： 1 脉冲上升时间：ESD — 极快，<1ns，EFT— 很快，约5ns，浪涌— 慢，s数量级 2 能量：ESD — 低，EFT（单个脉冲）— 中等，浪涌— 高 3 电压（负载阻抗高）：ESD — 15kV以上，EFT — 10kV以下，浪涌— 10kV以下 4 电流（负载阻抗低）：ESD — 人体放电为几十A，装置放电可达数百A，EFT—几十A， 浪涌 — 几千A
环境中存在着一些短暂的高能脉冲干扰， 这些干扰对电子设备的危害很大，一般称这种 干扰为瞬态干扰。瞬态干扰既可以通过电缆进 入设备，也可以以宽带辐射干扰的形式对设备 造成影响。例如，汽车点火系统和直流电机电 刷对收音机的干扰。产生瞬态干扰的原因主要 有： 雷电、静电放电、电力线上的负载通短（特别 是感性负载）、核电磁脉冲等。 电子设备必须能够在这些环境中正常工作。
两种触点击穿导通机理
气 隙 上 的 电 压
320V
击穿电压
维持电压
阳极(+) 电子流
0.08mm
接触点距离
辉光放电 气体电离
阴极(－)
弧光放电 金属气化
开关触点被击穿导通（可见到蓝光）的机理有两种：辉光放电和弧光放电。 辉光放电：当加在气体上的电场强度较强时，气体中的自由电子或离子会获得足 够能量，撞击其它原子或分子，产生更多的自由电子和离子，形成导电气体，这 种状态称为气体电离。当触点之间的气体发生电离时，会发生一种能自行维持的 辉光放电。 起辉电压：能够造成气体电离的电压称为起辉电压。起辉电压与气体种类、气体 压力和触点之间距离有关。标准压力和温度下的空气，当触点间距是0.08mm时， 起辉电压大约为320V。触点间距增加或减小时，电压都要增加。 维持电压：气体发生电离以后，只需要较低电压就能维持其电离状态。这个维持 电压与触点的距离无关，在空气中大约为300V。另外，为了维持导通，还需要一 个最小电流，通常为几个 mA。 弧光放电：金属中的电子处于自由状态。有些电子的速度足够高，可以脱离金属 表面。通常情况下，它们很快就会被拉回金属表面。但如果有一个外加电场能够 克服这个拉回电子的力，则电子就成为空间的自由电子。所需要的电压梯度一般 为0.5MV/cm。 在外界电场的作用下，电子从阴极射向阳极，由于局部电流很大，使触点局部温 度很高，这可能使金属汽化，形成了一个金属气体桥，这就是弧光放电。 一旦形成了金属气体桥，发生了弧光放电，只要外界电压能克服阴极电位，并且 有足够的电流使金属汽化，弧光放电就能够保持。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。
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
对应EMC实验：浪涌 特点：能量大
＋ ＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
放电电流 I
静电放电现象
对应EMC实验：ESD I
说明：NEMP（核电磁脉冲）也会在电缆中感应出浪涌，但它的上升时间很短，在ns级。
感性负载断开时产生的干扰
VL
t
20 － 200 Vdc 电源回路中的电流（电压）
对应的EMC实验：EFT
I0 Vdc
C
VL
t
特点：脉冲串
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。 瞬态干扰产生的机理：在电感负载的电路中，当开关断开时，根据电感的特性，电感 上的电流不能突然消失，为了维持这个电流，电感上会产生一个很高的反电动势，根 据楞次定律，这个电压为： E = d / dt = -L ( di / dt ) = 电感中的磁通（T m2） L = 电感（H） I = 电感中的电流（A） 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，就通过电感回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。 说明1：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。 说明2：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。 说明3：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。