第七部分 瞬态脉冲干扰的抑制 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。

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1 第七部分 瞬态脉冲干扰的抑制 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。 2002年4月

2 瞬态干扰对设备的威胁 静电放电 静电放电 静电放电 浪涌 电快速脉冲 电快速脉冲 浪涌 信号端口 电源端口 2002年4月
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 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。 电快速脉冲 浪涌 2002年4月

3 感性负载断开时产生的干扰 VL 对应的EMC实验：EFT t I0 Vdc 特点：脉冲串 t VL 20 － 200 Vdc
电源回路中的电流（电压） C I0 VL Vdc 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。 特点：脉冲串 t 2002年4月

4 两种触点击穿导通机理 击穿电压 辉光放电  气体电离 弧光放电 金属气化 气隙上的电压 阳极(+) 电子流 320V 维持电压
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。 阴极(－) 0.08mm 接触点距离 辉光放电  气体电离 弧光放电 金属气化 2002年4月

5 浪涌产生的原因 对应EMC实验：浪涌 一般小于75kA 最大可达300kA 特点：能量大 导体周围产生强磁场 I 2002年4月

6 静电放电现象 对应EMC实验：ESD I t 特点：频率范围宽 放电电流 I 1ns 100ns 2002年4月 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
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实质：静电放电现象之所以会产生电磁干扰现象，是因为放电电流具有很高的幅度和很短上升沿，这样就会产生强度大、频谱宽的电磁场，对电子设备造成电磁干扰。上升沿的长度取决于放电路径的电感。图中所示的放电电流波形是人体放电时产生的波形，其它情况下的放电波形可能会有更陡的上升沿。根据傅立叶变换，上升沿为1ns的脉冲，带宽达到300MHz。 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。关于这种现象的解释如下：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。 有关静电放电的更详细的内容，可以参考本公司出版的“防止静电放电问题实践指南”一书。 t 1ns 100ns 特点：频率范围宽 2002年4月

7 瞬态干扰的频谱 瞬态类型 tr  1/ 1/tr A 2A
时间 1/ 频率 1/tr 瞬态类型 tr  / /tr A A EFT ns ns MHz MHz kV V/MHz ESD ns ns MHz MHz A A/MHz 浪涌 s s kHz kHz kV V/MHz 2002年4月

8 消除感性负载干扰 L L R L R RL C 2002年4月

9 阻尼电路参数确定 V / Ia < R < RL R: 折衷 C:
越大，开关闭合时限流作用越好 折衷 V / Ia < R < RL R: 越小，开关断开时反充电压越小 C: 由于没有弧光，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 < 300V C > ( I / 300 ) 2 L 为了防止发生弧光，电容充电速率要小于1V/s， C > I 2002年4月

10 过零开关消除干扰 VDC 电感电流取样 继电器 + - 电压比较器 2002年4月

11 瞬态干扰抑制原理 分压法： 分流法： 低通滤波器：截止频率小于1 /  正温度系数电阻 电 阻 电 感 电 容
电 阻 分压法： 电 感 电 容 负温度系数电阻（压敏电阻） 分流法： 瞬态抑制二极管 气体放电管 低通滤波器：截止频率小于1 /  2002年4月

12 低通滤波器对瞬态干扰的作用 + fCO A f fCO f f 输入脉冲频谱 输出脉冲频谱 IL 滤波器特性 2A 2A 2002年4月
瞬态脉冲干扰含有丰富的高频成分，因此，使用低通滤波器可以滤除部分能量，从而减小干扰的幅度。设输入低通滤波器的是一个梯形波（不失一般性），其幅度为VIP，脉宽d，则其频谱的幅度为： VI（f）= 2 VIP d f  1/d 设滤波器的插入损耗特性为IL（f），截止频率为 fCO ，则滤波器的输出电压频谱VO（f）为： VO（f）= VI（f）IL（f） 若用dB表示，则为： VO（f）dBv = VI（f）dBv + IL（f）dBV 设输出波形也是梯形波，其幅度为 VOP ，脉宽为dO， 则截止频率以下部分（插入损耗为0）的频谱的幅度为： VO（f）= VI（f）= 2 VIP d f  fCO 根据PARSEVAL定律：对于同一个波形，其频域中所表达的能量等于其时域中所表达的能量，即： P = 0   V2(f)df = 0   V2(t)dt 在本例中，设频域中的主要能量集中在fCO以下，时域中，主要能量集中在脉宽内，则： 0 fco （2 VIP d ）2 df = 0 do V2OP dt （2 VIP d）2 fco = V2OP （1/ fco） 结果为： VOP /VIP = 2（√ ）fco d 说明：这里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，最大幅度可能会超过输入波形的峰值。 滤波器特性 fCO f f fCO 2002年4月

13 Fco > 1 /  VOUT = VP(f) f1 = 2VIN  /  = 2VIN /  输出脉冲的幅度略有降低
2002年4月

14 Fco < 1 /      Parseval 定律：时域中的能量等于频域中的能量：   out V2(f)df =
V2(t)dt = 1 / fco out fco   (2VIN)2df = V 2OUT dt (2VIN)2 fco = V 2OUT /  fco fco V / V OUT = 2  fco  2002年4月

15 低通滤波器对瞬态干扰的抑制 VOUT / VIN  fCO -40 -30 -20 -10 0.001 0.01 0.1 1/2
0.001 0.01 0.1 1/2  fCO 2002年4月

16 瞬态干扰抑制器件 钳位不紧 电流容量不大 有跟随电流 压敏电阻 浪涌电压 瞬态抑制二极管 1000 气体放电管 500 220
抑制浪涌的器件主要有压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管。下面这三种器件的特性做一比较。 1压敏电阻： 原理：当压敏电阻上的电压超过一定幅度时，电阻的阻值降低，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅度。 特点： 峰值电流承受能力较大，价格低。 缺点：钳位电压较高（相对于工作电压），随着受到浪涌冲击的次数增加，漏电增加，响应时间较长，寄生电容较大。 2 瞬态抑制二极管（TVS）： 原理：当TVS上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅度限制在一定的幅度。 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，一般器件的寄生电容较大，如在高速数据线上使用，要用特制的低电容器件。 3 气体放电管： 原理：当放电管上的电压超过一定幅度时，器件变为短路状态，从而将浪涌能量泄放掉。 特点： 承受电流大，寄生电容小。 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（放电管不能断开），在交流中使用时也要引起注意（跟随电流会超过器件的额定功率值），可以在泄放电路中串联一个电阻来限制电流幅度。放电管的寿命约为50次（101000s，500A峰值电流），随后，导通电压开始降低。 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，不会发生器件失效还不知道的问题，同时，也有可能造成电路工作的中断。 500 220 2002年4月

17 气体放电管的跟随电流 寄生电容小 电流容量大 跟随电流 不可用在直流的场合！ 2002年4月

18 放电管与压敏电阻组合 优点： 没有跟随电流 没有漏电流 钳位电压低 用低通滤波器消除 2002年4月

19 作用在开关电源上的浪涌 浪涌电压 电源上电压 流进电源的电流 kV 6 4 2 kA 3 开关电源等效电路 2 6kV, 3kA
kA 3 流进电源的电流 开关电源等效电路 2 6kV, 3kA 1.2  50 s 浪涌波形 1 2002年4月 s

20 浪涌抑制器件的保护作用 大部分电流 流进了电源 浪涌电压 抑制后的电压 流进电源的电流 流进抑制器的电流 kV 6 4 2 kA 3
kA 3 流进电源的电流 开关电源等效电路 2 6kV, 3kA 1.2  50 s 浪涌波形 流进抑制器的电流 1 大部分电流 流进了电源 2002年4月 s

21 TVS增容问题 1M 1M R R 不行 可以 最好 2002年4月

22 多级浪涌抑制电路 V Z I2P V V1 V2 V1、V2 = 额定工作电压 I2 = 第二级额定峰值电流
V =V1MAX - V2MIN Z  V / I2P V0 V 浪涌 一级 二级 V1 V2 V0MAX 2002年4月

23 地线反弹与对策 若电流为5kA，地线阻抗为0.5，则反弹电压达到2500V ! VZ VZ + VG 设备参考地 设施地 VG
2002年4月

24 静电放电现象 I 放电电流 I t 1ns 100ns 2002年4月 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋

25 ESD对电路工作影响的机理 电流找阻抗最小路径 静电放电产生的电磁场 不良搭接 孔缝 2002年4月

26 ESD产生的电磁场 电场 kV/m 磁场 A/m 4 15 3 10 2 10 cm 1 20 cm 5 50 cm 时间 ns
2002年4月

27 静电试验的方法 I1 I2 tr 30 60 t(ns) 静电放电试验 Ipeak 直接放电试验 感 应 90% 非接触 放电 接触 放电
感 应 90% I1 非接触 放电 接触 放电 在附近放电 产生感应场 I2 tr t(ns) 2002年4月

28 ESD常见问题与改进 ESD ESD V ESD ESD 屏蔽层 V 2002年4月

29 ESD常见问题与改进 ESD2 ESD1 I2 I1 二次放电 铁氧体磁珠 ESD2 ESD1 I1 2002年4月

30 电缆上的ESD防护 电缆/机箱搭接 VN 错误 2002年4月 正确