【導(dǎo)讀】監(jiān)控儀表與傳統(tǒng)電參量變送器相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是更加的向集成化、智能化、多元化的方向靠攏，這就對(duì)電磁兼容的性能方面要求很高。選擇適當(dāng)?shù)腅MC方案，可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)事半功倍。本文則主要講解電力監(jiān)控儀表的電磁兼容設(shè)計(jì)。
1 標(biāo)準(zhǔn)判定
1.1 判定標(biāo)準(zhǔn)
結(jié)合重工業(yè)產(chǎn)品通用標(biāo)準(zhǔn)，電力監(jiān)控用電力儀表需要滿(mǎn)足的EMS、EMI項(xiàng)目及評(píng)判等級(jí)。
1.2 標(biāo)準(zhǔn)解讀
干擾通常分為持續(xù)干擾和瞬態(tài)干擾兩類(lèi)。如廣播電臺(tái)、手機(jī)信號(hào)、步話(huà)機(jī)等屬于持續(xù)干擾。由于開(kāi)關(guān)切換，電機(jī)制動(dòng)等造成電網(wǎng)的波動(dòng)，此類(lèi)干擾我們稱(chēng)為瞬態(tài)干擾。瞬態(tài)干擾包含：浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS；持續(xù)干擾包含：傳導(dǎo)敏感度CS，輻射敏感度RS。
評(píng)判等級(jí)A所述的“性能不降低”，即干擾施加后，硬件無(wú)損害，干擾施加過(guò)程中無(wú)死機(jī)、復(fù)位、數(shù)據(jù)掉幀或誤碼率較高等問(wèn)題，好像無(wú)干擾施加到產(chǎn)品一樣。通常持續(xù)性的干擾的評(píng)判等級(jí)均采用此評(píng)判等級(jí)。瞬態(tài)干擾為偶然性發(fā)生，且引起的電網(wǎng)干擾時(shí)間不長(zhǎng)，故暫時(shí)性能降低，也就是評(píng)判等級(jí)B。
1.3 EMS試驗(yàn)項(xiàng)目及干擾實(shí)質(zhì)分析
(1)浪涌SURGE：波形1.2/50μs、8/20μs，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)μs的脈沖，是一種傳導(dǎo)性干擾，因其脈沖攜帶較強(qiáng)能量，故需要對(duì)所有功能端口做相應(yīng)程度的防護(hù)，否則會(huì)引起內(nèi)部電路元件的永久性硬損傷。
(2)靜電EMD：波形上升沿為0.7-1ns，是一種脈沖寬度為幾十個(gè)ns的脈沖，因其峰值電壓范圍在數(shù)千至上萬(wàn)伏，故脈沖也具有一定的能量，須在端口做防護(hù)。由于其上升沿很陡，故其攜帶的高頻諧波很豐富，可達(dá)500MHz，所以靜電在儀表所有裸露的金屬部件（包含端子，螺釘?shù)龋┻M(jìn)行接觸放電或孔縫（包含LED指示燈的開(kāi)孔，各種散熱和觀察孔）時(shí)，或分別對(duì)水平耦合板和垂直耦合板間接放電時(shí)，均會(huì)在放電點(diǎn)瞬時(shí)形成一個(gè)高頻電場(chǎng)，通過(guò)空間對(duì)電路進(jìn)行干擾，這種干擾是共模干擾。因此，靜電設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意端口保護(hù)和空間高頻輻射場(chǎng)兩方面內(nèi)容。
(3)電快速脈沖群EFT/B：波形上升沿為5ns，波形為數(shù)個(gè)周期脈沖串的組合，能量很低。干擾的性質(zhì)和靜電一樣是共模，干擾路徑既包括傳導(dǎo)也包含輻射。
(4)傳導(dǎo)敏感度CS：共模干擾，干擾頻段從150KHz到80MHz。在進(jìn)行項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)，其干擾信號(hào)源至儀表的線(xiàn)纜長(zhǎng)度與干擾頻段（30MHz）對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ的1/4比擬，故在施加干擾電壓的調(diào)制頻率超過(guò)30MHz時(shí)，因趨膚效應(yīng)，干擾信號(hào)主要以空間輻射方式出現(xiàn)（低于30MHz時(shí)，主要還是以傳導(dǎo)方式干擾）。
(5)輻射敏感度RS：共模干擾，干擾頻段從80MHz到1GHz。需注意，外拖的線(xiàn)纜充當(dāng)接收天線(xiàn)，干擾為電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)。
1.4 EMI試驗(yàn)項(xiàng)目及干擾實(shí)質(zhì)分析
EMI試驗(yàn)包含傳導(dǎo)發(fā)射CE和輻射發(fā)射RE。CE考察的頻段為150KHz~30MHz，RE考察的頻段為MHz~1GHz，通常按A類(lèi)設(shè)備要求。對(duì)電力儀表而言，主要考察其內(nèi)部電源（通常為開(kāi)關(guān)電源）、晶振(包括有源晶振和無(wú)源晶振)等主要騷擾源通過(guò)天線(xiàn)(由外拖線(xiàn)纜充當(dāng))形成的傳導(dǎo)和輻射，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)上述騷擾源的處理。
2 電磁兼容設(shè)計(jì)方法
2.1 電磁兼容設(shè)計(jì)的基本思路
出現(xiàn)EMC問(wèn)題，必須有干擾源，耦合路徑及敏感設(shè)備三要素，缺少任何一個(gè)環(huán)節(jié)，均不能構(gòu)成EMC問(wèn)題。因此，針對(duì)EMC問(wèn)題，其設(shè)計(jì)就是針對(duì)三要素中的一個(gè)或幾個(gè)采取技術(shù)措施，限制或消除其影響，基本思路可分為“堵”和“疏”兩類(lèi)。“堵”就是通過(guò)增加共模濾波器，采用光耦等隔離或線(xiàn)纜套磁環(huán)等方式增加共模阻抗Z；“疏”就是通過(guò)電容形成高頻通路，將共模干擾引入阻抗更低的地(PE)或金屬殼。一個(gè)EMC設(shè)計(jì)往往可以通過(guò)既“堵”又“疏”的方式，在成本增加不大的情況下，可獲得較好的EMC性能。
2.2 EMC解決手段
屏蔽、接地和濾波是EMC解決的三種手段。在下文中將詳細(xì)說(shuō)明。
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3 原理圖級(jí)設(shè)計(jì)
在確定儀表需要滿(mǎn)足的電磁兼容項(xiàng)目及試驗(yàn)等級(jí)后，在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)就有必要對(duì)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大程度降低電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間。
3.1 端口設(shè)計(jì)
儀表的端口包括電源端口及信號(hào)端口，在EMC測(cè)試項(xiàng)目中針對(duì)端口的試驗(yàn)包括浪涌SURGE，靜電ESD，電快速脈沖群EFT/B，傳導(dǎo)敏感度CS，傳導(dǎo)發(fā)射CE，電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化DIPS。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循先進(jìn)行浪涌防護(hù)后進(jìn)行隔離/共模濾波的順序進(jìn)行。
(1) 浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)
根據(jù)儀表端口的定義，浪涌分為差模浪涌和共模浪涌?jī)煞N。如信號(hào)端口（也包含工作電源端口）的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)間為差模浪涌，電路的進(jìn)線(xiàn)和回線(xiàn)分別對(duì)地（接地端子）為共模浪涌。
抑制浪涌最常用的器件就是浪涌抑制器件，如氣體防電管、壓敏電阻、TVS。不同的端口根據(jù)其功能，選用不同的組合方案進(jìn)行浪涌的防護(hù)。例如，當(dāng)儀表是三相四線(xiàn)輸入，因?yàn)殡妷憾丝跒楦咦栎斎耄诶擞康燃?jí)要求不太高時(shí)，一般無(wú)須采用壓敏電阻和氣體放電管。
(2) 共模濾波器的設(shè)計(jì)
通過(guò)在端口附近設(shè)計(jì)共模濾波器，對(duì)共模干擾進(jìn)行旁路。濾除共模干擾也可采取設(shè)計(jì)隔離元件等增大共模阻抗的方式或通過(guò)電容接地（如果端口設(shè)計(jì)有接地端子，應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)安全要求）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)共模濾波器，首先應(yīng)明確共模干擾的頻段，以便選擇合適的電感、電容參數(shù)。若需要同時(shí)抑制低、中、高頻的共模干擾，有時(shí)可采用低頻和高頻共模濾波器串聯(lián)的方式來(lái)解決。
儀表電源端口往往采用開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)重要的對(duì)外干擾源，需要在端口設(shè)計(jì)EMI濾波器。另外，從EMS角度考慮，由于隔離變壓器的輸入輸出間存在較大的分布電容，高頻共模干擾可以毫無(wú)衰減地從輸入耦合至輸出，因此也需要在開(kāi)關(guān)電源前設(shè)計(jì)濾波器。
電源端口基本濾波電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。當(dāng)無(wú)PE時(shí)，共模電容省略。共模扼流圈在繞制中會(huì)產(chǎn)生1%左右的漏感，可直接利用來(lái)進(jìn)行差模濾波，若要加強(qiáng)差模濾波，則可在扼流圈后增加差模電感設(shè)計(jì)。需要強(qiáng)調(diào)的是，圖2所示濾波器在進(jìn)行PCB布板時(shí)，應(yīng)盡量擺放在靠近于端口的位置，且印制線(xiàn)走線(xiàn)應(yīng)注意控制環(huán)路面積，讓濾波器獲得最大的插入損耗。
3.2 敏感電路及器件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中需要注意對(duì)易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設(shè)計(jì)。盡量采用抗擾度高的器件，在功能滿(mǎn)足的情況下，盡量降低晶振的頻率，盡量選擇上升沿較緩的器件。
4 結(jié)構(gòu)級(jí)、PCB級(jí)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)上需要考慮靜電放電、射頻電磁場(chǎng)輻射、輻射發(fā)射三項(xiàng)EMC試驗(yàn)項(xiàng)目，下面主要以因結(jié)構(gòu)限制，在PCB設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。
常見(jiàn)問(wèn)題一，儀表因自身結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部常由幾塊PCB構(gòu)成，PCB之間通過(guò)插針、互聯(lián)排線(xiàn)等連接，如何進(jìn)行EMI防護(hù)？
這些都是EMC最為脆弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)連線(xiàn)長(zhǎng)度與干擾頻率的波長(zhǎng)可比擬時(shí)，既容易接收到外界的干擾，也容易將內(nèi)部干擾帶出產(chǎn)品，引起EMI超標(biāo)。
設(shè)計(jì)時(shí)可從以下三方面著手解決：①對(duì)插針中傳遞的信號(hào)進(jìn)行濾波；②盡量減少插針、互聯(lián)排線(xiàn)的長(zhǎng)度（從工藝角度可將其捆扎）；③增加地針數(shù)目，最好采用“地--信號(hào)1--地--信號(hào)2--地--信號(hào)3--地”方式，減少信號(hào)的回路面積，降低不同PCB之間的Zgnd.
常見(jiàn)問(wèn)題二，針對(duì)液晶顯示屏，LED指示燈，孔縫等如何進(jìn)行靜電ESD防護(hù)？
在設(shè)計(jì)中建議對(duì)液晶顯示屏采取透明材料絕緣處理，或增大與內(nèi)部電路的放電距離。
PCB布線(xiàn)時(shí)應(yīng)注意：①濾波器設(shè)計(jì)時(shí)不要讓輸入輸出分開(kāi)，避免耦合，最好采用“一”或“L”型；②對(duì)關(guān)鍵芯片的敏感信號(hào)去耦時(shí)，去耦電容應(yīng)緊靠其管腳，以減小回路面積；③敏感信號(hào)不能從晶振底部穿越，也不能離靠近儀表端口，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，應(yīng)注意采用包地方式；④盡量縮短關(guān)鍵信號(hào)的傳遞路徑距離，采用伴地設(shè)計(jì)時(shí)，注意增加地過(guò)孔的數(shù)目；⑤注意不要讓敷地存在地割裂情況；⑥通過(guò)增加距離來(lái)降低相信號(hào)通道間的空間耦合；⑦通過(guò)正交來(lái)解決PCB頂層和底層信號(hào)的相互影響；⑧模擬地和數(shù)字地在一點(diǎn)處連接，A/D通常視作模擬器件。
常見(jiàn)問(wèn)題三，如何“接地”？一個(gè)產(chǎn)品只有一個(gè)接地點(diǎn)。因而，對(duì)于接地點(diǎn)位置的選擇十分重要，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證接地點(diǎn)位于干擾信號(hào)注入端口且具有低的接地阻抗，通過(guò)電容可對(duì)共模干擾信號(hào)能進(jìn)行旁路。若儀表端口設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了一個(gè)接地端子，可以是前端三相四線(xiàn)輸入電壓（La、Lb、Lc、N）的保護(hù)地PE，也可以是其交流工作電源（L、N）的保護(hù)地ＰＥ或者還有可能是RS485通訊（A、B）的保護(hù)地PE/屏蔽地FG。
地設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)保證這個(gè)地是干凈的地，即EMC中所述的“靜地”。當(dāng)?shù)夭桓蓛魰r(shí)，共模干擾信號(hào)可能會(huì)從地反竄流入信號(hào)造成地污染，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，常用做法是在端口預(yù)留一塊銅箔，讓其與內(nèi)部其它信號(hào)分割開(kāi)來(lái)，且留有一定的距離（安全要求考慮）。
電容、電感非理想器件的寄生參數(shù)，在高頻時(shí)將會(huì)大大影響其濾波效果，所以對(duì)不同頻段的干擾信號(hào)應(yīng)選擇不同的濾波參數(shù)。以電容為例，其頻率阻抗曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，該類(lèi)器件的引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，其高頻下寄生參數(shù)會(huì)降低自身的諧振頻率，建議盡量采用貼片器件。一個(gè)常用的做法是選擇參數(shù)相差100倍的電容進(jìn)行并聯(lián)，以保證在其較寬的頻段范圍內(nèi)始終保持電容特性。
數(shù)字芯片均應(yīng)做去耦設(shè)計(jì)，特別是攜帶豐富高次諧波的數(shù)字電源引腳，通常用0.1uF電容與1nF電容并聯(lián)。對(duì)于數(shù)字芯片中因結(jié)構(gòu)、傳輸路徑等客觀因素影響的關(guān)鍵信號(hào)均應(yīng)做去耦設(shè)計(jì)，去耦時(shí)應(yīng)注意不要影響信號(hào)的正常傳輸。
對(duì)于特別敏感的電路單元，在成本允許和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，針對(duì)輻射試驗(yàn)項(xiàng)目(RS和RE)屏蔽材料選擇鋁或銅等金屬，設(shè)計(jì)時(shí)為保證足夠的屏蔽效能應(yīng)保證低接地阻抗，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。
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