《电磁兼容防护EMC》学习笔记

目录

一、电磁兼容原理

二、EMS常用器件原理及应用

2.1、过压器件

 压敏电阻 ZNO

瞬态抑制二极管 TVS（ESD）         

瞬态抑制二极管 TSS     

气体放电管 GDT  

 过压保护器 OVP

2.2、过流器件 

 功率热敏器件 NTC

自恢复保险丝 PPTC

2.3、滤波器件

电容

电感

2.4、屏蔽与隔离器件

屏蔽

隔离

三、防护电路设计与注意事项

3.1、浪涌防护电路推荐

 AC220V防护电路

DC防护电路

RS485防护电路

 RS232防护电路

 网口防护电路

 POE防护电路

GPS防护电路

车载电源防护电路

 3.2、浪涌防护电路设计注意事项

前端保险丝选择

退耦电感和电阻的选择

 浪涌电路的设计

浪涌测试遇到的问题

 3.3、ESD（静电）防护电路推荐

 3.4、ESD防护电路设计注意事项

ESD干扰模式

介质隔离与屏蔽

搭接和接地

 ESD防护器件的选择

3.5、EFT防护电路设计注意事项

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一、电磁兼容原理

电磁兼容设计的频率范围：<400GHz，90%对设备损坏的<10KHz

EMI/EMS

静电：1.5KV的静电压，人体感受到：3000~5000V

雷电、太阳、辐射干扰

一、电磁兼容试验标准

1、静电试验

  GB/T17626.2(IEC61000-4-2)

  人体的储能电容：150pF；人体内阻：330Ω

2、EFT试验

  继电器触电，切断感性负载

  耦合/去耦网络特性参数：耦合电容：33nF；耦合方式：共模 1KV   0.5V

3、浪涌试验

  浪涌输出电压符合1.25/50，1.25是上升到90%，50下降到50%时间      电流8/20us

4、射频场感应

5、电波暗室（电波传播）

二、EMS常用器件原理及应用

过压器件、过流器件、滤波器件、屏蔽与隔离

2.1、过压器件

•  压敏电阻 ZNO

        压敏电阻是电压敏感电阻器的简称，是一种非线性电阻元件。 压敏电阻阻值与两端施加的电压大小有关，当加到压敏电阻器上的电压在其标称值以内时，电阻器的阻值呈现无穷大状态，几乎无电流通过。 当压敏电阻器两端的电压略大于标称电压时，压敏电阻迅速击穿导通，其阻值很快下降，使电阻器处于导通状态。 当电压减小至标称电压以下时，其阻值又开始增加，压敏电阻又恢复为高阻状态。它的瞬变干扰的抑制是通过钳位方式来实现，对线路的危害的这部分能量被压敏电阻通过转化成热量的形式来吸收掉（W=Pt）。压敏电阻的响应时间为ns级，比气体放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。

 价格便宜，通流量大（开关电容）、寄生电容大（不适合高频电路），会有很大的漏电流，因此通常需要与气体放电管进行串联。

 ZnO晶粒有老化，所以一般串联热熔点来避免，压敏可串并联使用

器件：注意引脚的材质（铜、铜包钢、钢）

 当电路接220V不稳定时（如印度），当电压高时，外部直接导通，容易引起断电跳闸

选型规则：1、220V不用471，使用511、561；110V用241、271（印度往死里加620、680）

                            考虑交流、还要考虑衰减

应用环境：电源

• 瞬态抑制二极管 TVS（ESD）         

        TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，已广泛应用于计算机系统。

优缺点：工作电压精准、响应时间快、可单双向

 【硬件基础4】二极管（原理、特性、类型、电路分析）_追逐者-桥的博客-CSDN博客

Vr关闭导通；Vbr是二极管的导通保护电压；Vc要小于要保护电路损坏的最大电压

Ir漏电流；It测试电流；Ipp通过的最大浪涌电流计算方式：正常电路5V、1A时

1. 感性负载较少时，的10~30倍，浪涌电流为30A
2. 感性负载较大时， 的100倍，浪涌电流为141A

可串联来增加W，通过做低电压，增加浪涌电流。

SMBJ6.0CA(DO214AA)，不动电压6V，CA双向、A是单向，600W，Vc=Vrm*1.67

可承受的浪涌电压为：5*1.67*1.4 = 13V            10/1000（90%/50%）浪涌波形

•  选型

5V/2A：感性负载，IPP=2A*100=200A   电路最大电压为11V，那么VC=10，2000W ，3000W

车载中电路：24V（柴油），用36V；12V（汽油），用24V     

应用环境：数码、通讯

• 瞬态抑制二极管 TSS     

        半导体放电管是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。. 其击穿电压的范围，构成了过压保护的范围。SMA、SMD

优缺点：保护敏感设备，低功率损耗，低漏电流。

主要用于模拟数字卡，调制解调器，POS系统，交换机

• 气体放电管 GDT  

        放电管的工作原理是气体间隙放电i当放电管两极之间施加一定电压时，便在极间产生不均匀电场：在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。惰性气体电离。

由于这种残压很低，在雷击过后正常电压下会依然处于导通状态，不会关断，产生续流现象。因此一般需要串联压敏电阻来太高其关断电压。使雷击被吸收后及时的关断。

3R090L/2R090M

特点：通流量大，漏电流小、寄生电容小，速度慢、动作电压精度低，有续流现象

应用环境：防雷模块、通讯防雷

•  过压保护器 OVP

 

2.2、过流器件 

•  功率热敏器件 NTC

它的电阻值随温度升高而降低。利用这一特性即可制成测温、温度补偿和控温组件，又可以制成功率型组件，抑制电路的浪涌电流（这是由于热敏电阻器有一个额定的零功率电阻值，当串联在电源回路中时，就可以有效地抑制开机浪涌电流）。并且在完成抑制浪涌电流作用以后，利用电流的持续作用，将NTC热敏电阻器的电阻值下降非常小的程度。

 特点：体积小、功率大、抑制浪涌电流能力强、反应速度快、材料常数（B值）大，残余电阻小寿命长吗，可靠性高。

选型规则：R > 1.414*u / Im   5D9/5D11

• 自恢复保险丝 PPTC

        PPTC，Polymer Positive Temperature Coefficent，学名 高分子聚合物正温度系数热敏电阻。PPTC主要用于电子设备的短路及超载保护，与传统保险丝相比，具有可恢复功能，故又称为自恢复保险丝 。

         PPTC 主要是由聚合树脂和导电材料所组成。在正常工作条件下，其表现出极低的电阻值，对电路性能基本上不会产生影响。当异常电流发生或环境温度提高时，其阻值迅速提高，呈现高阻抗的状态，从而限制异常电流流过 PPTC 元件，此过程称为“动作”。当故障得到排除后，PPTC 元件自动恢复到低阻状态，此时电路又可以回到正常工作的状态。

 上图PPTC在EMC里主要时退耦或耦合作用，作为过流保护掐尖，可以减少温度，维护和维修成本。

2.3、滤波器件

• 电容

        电容与电容器不同，主要功能：滤波、储能、耦合作用、降压作用、隔直流作用、储能作用、旁路作用、谐振作用

• 电感

        在电路中主要起到：滤波、振荡、延迟、筛选信号、过滤噪声、稳定电流、抑制电磁波干扰等。最常见于电容一起，组成LC滤波电路。

2.4、屏蔽与隔离器件

• 屏蔽

电磁辐射进行控制的三招：1、优化电路设计；2、配线分离技术，主要PCB layout技术；3、屏蔽

 屏蔽分为

静电屏蔽：是指用于防止静电场和恒定磁场的影响

电磁屏蔽：防止交变电场，交变磁场的影响

• 隔离

解决地环路问题是用浮地技术可以实现，环地线干扰用浮地技术没有办法解决，只能通过隔离解决。

隔离方式常见的：隔离变压器、光电耦合、光纤隔离

 PC807

三、防护电路设计与注意事项

3.1、浪涌防护电路推荐

•  AC220V防护电路

FUSE：根据电路实际情况选型。作用：浪涌测试瞬间电流很大，电源端做擦抹浪涌发生器的电阻是2欧姆，2KV浪涌测试冲击电流1KA（8/20微秒级）

MOV：14D471K / 14D511K / 14D561K  。作用：压敏电阻（ZnO)，有老化，短路失效的时候，会起火，这是保险丝会断开。

GDT：2R800L(可按照耐压要求重新选择)。作用：限制漏电流，防止MOV失效漏电流过大

还有其他变种电路，如两级防护，使用温度保险丝等情况

该电路一般后面带有 整流桥/MOS，需要测试能否承受住，隔离型电源没问题，但是非隔离电源则需要加一个共模电感，然后再加一级防护。

两级防护，第一级通流量大，第二季通流量小

• DC防护电路

15V以下电路第一级可单独使用红色框内电路只是用气体放电管

FUSE：根据电路实际使用情况，具体见注意事项，在做测试是如果很小就会断掉

MOV：14D820K

GDT：2R090L

TVS：根据电源电压选择5V 一般选6.5V，12选15V TVS，15选18，24选28，48选58

还有其他变种电路，如两级防护，使用温度保险丝等情况

高低电压都需要测

气体放电管与压敏电阻配合使用：

1、压敏电阻具有较大的漏电流（正常工作状态下的电流），而气体放电管在正常工作状态下处于关断状态，会把漏电流限制住。

2、气体放电管在高压导通后，由于其低压关断电压较低，会出现续流现象（10~100mA），因此串联一个压敏电阻可以拉高其关断电压，使其在雷击后及时关断。

推荐大家看一下上面的DC24V防护电路：

典型DC24V接口防护电路分析_alala120的博客-CSDN博客_dc24v emc防护电路

• RS485防护电路

•  RS232防护电路

•  网口防护电路

•  POE防护电路

PHY

• GPS防护电路

• 车载电源防护电路

 3.2、浪涌防护电路设计注意事项

• 前端保险丝选择

当浪涌等级比较高时，使用一次性保险丝；当浪涌等级比较低时，可使用自恢复保险丝。

前端尽量不要用自恢复的，一次性保险丝有热熔值I2T是关键参数（快断与慢断）。

• 退耦电感和电阻的选择

 防浪涌电路有的需要两级或者三级防护，级级之间就需要退耦，一般来说信号线或者小电流电源线使用电阻退耦；电源线就需要空心电感退耦。

•  浪涌电路的设计

 电源线或者防雷器件的布线一定要段，且由于能量辐射的原因尽量避免信号线。

• 浪涌测试遇到的问题

 测试一定要作记录，损坏的器件，干扰分析

 底线不干净

 3.3、ESD（静电）防护电路推荐

干扰途径不容易找到

• USB2.0使用器件ESDSRV05

 BEF脚要么不接，要么接高电压

• HDMI：ESD0524P
• SIM：ESDSRV-4
• CAN：ESD24VAPB

 3.4、ESD防护电路设计注意事项

• ESD干扰模式

 敏感部位最好做到中间，做一个环闭。

 电池供电或板子比较小、最好是多层板，加磁珠

 接口电路的防护电路

• 介质隔离与屏蔽

堵、输。加塑料层或者塑料外壳，认为的增加放电距离。内部电路要避开接缝、通风口、安装口等口。凹槽加入挡板，拐点做成圆弧状

• 搭接和接地

        搭接和接地是防止静电放电干扰的重要手段。金属部件之间是通过搭接建立低阻抗通路的，从而使彼此间的压差降到最低。而接地则能最终释放掉所积累的电荷。为了能有效防止静电放电干扰的发生，保证静电放电电路路径的低电流密度和低阻抗是关键。

•  ESD防护器件的选择

抑制器件的快速反应能力很高，压敏电阻、TVS、TSS、高分子材料

3.5、EFT防护电路设计注意事项

 能量不高，频率很高，上升沿很陡

 电源端测试，退耦网络

信号线，耦合夹

注意安装位置

 

 

 

 

 

器件不要选择太便宜的