模擬電路中EMC中隔離設(shè)計(jì)方案

　　在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為了截?cái)喈a(chǎn)品內(nèi)部電路與外界的干擾傳輸通道，或出于安全隔離的考慮，通常會(huì)在I/O端口或內(nèi)部電路信號(hào)傳輸過(guò)程中采用隔離的方式，這種隔離技術(shù)是EMC 中的重要技術(shù)之一，其主要目的是試圖通過(guò)隔離元件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。在低頻情況下，采用了隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合低頻EMC的要求。

　　隔離分類(lèi)

　　常見(jiàn)的電路隔離常用在以下幾種情況：

　　模擬電路內(nèi)的隔離

　　對(duì)于模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，其隔離電路相對(duì)比較復(fù)雜，既要考慮其精度、頻帶寬度的因素，又要考慮其價(jià)格因素。

　　同時(shí)既有高電壓、大電流信號(hào)，又有微電壓、微電流信號(hào)，這些信號(hào)之間需要進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)在一定的頻率下的隔離。

　　數(shù)字電路內(nèi)的隔離

　　數(shù)字量輸人系統(tǒng)主要采用脈沖隔離變壓器隔離、光電耦合器隔離；而數(shù)字量輸出系統(tǒng)主要采用光電耦合器隔離、繼電器隔離，個(gè)別情況也可采用高頻隔離變壓器隔離。

　　模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離

　　一般來(lái)說(shuō)，模擬電路與數(shù)字電路之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A）來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，若不采取一定的措施，數(shù)字電路中的高頻周期信號(hào)就會(huì)對(duì)模擬電路帶來(lái)一定的干擾，影響測(cè)量的精度。

　　為了抑制數(shù)字電路對(duì)模擬電路帶來(lái)的干擾，一般須將模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)布線，但這種布線方式有時(shí)還不能徹底排除來(lái)自數(shù)字電路的干擾。要想排除來(lái)自數(shù)字電路的干擾，可以把數(shù)字電路與模擬電路隔離開(kāi)來(lái)。常用的隔離方法是在A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字電路之間加入光電耦合器，把數(shù)字電路與模擬電路隔離開(kāi)。如果這種電路還不能從根本上解決模擬電路中的干擾問(wèn)題，就把信號(hào)接收部分與模擬處理部分也進(jìn)行隔離。

　　例如，在前置處理級(jí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）之間加人線性隔離放大器，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）與數(shù)字電路之間采用光電耦合器隔離，把模擬地與數(shù)字地隔開(kāi)。這樣一來(lái)，既防止了數(shù)字系統(tǒng)的干擾進(jìn)人模擬部分，又阻斷了來(lái)自前置電路部分的共模干擾和差模干擾。數(shù)模轉(zhuǎn)（D/A）電路的隔離與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路的隔離類(lèi)似，因而所采取的技術(shù)措施也差不多。

　　EMC中隔離分析

　　接下來(lái)以通過(guò)光耦隔離、繼電器隔離和共模扼流圈（共模電感）隔離案例，理解EMC中隔離設(shè)計(jì)方法。

　　2.1、光耦隔離

　　光電耦合器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、無(wú)觸點(diǎn)等特點(diǎn)，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。光電耦合器可用于隔離電路、負(fù)載接口及各種工業(yè)產(chǎn)品、家用電器等電路中。硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)“電—光—電”的隔離，能在一定程度上破壞共模電流的進(jìn)入，可靠地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，并易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

　　使用光電耦合器（簡(jiǎn)稱(chēng)光耦）可以切斷電信號(hào)的直接連接，用光實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。光電隔離是由光電耦合器件來(lái)完成的。光電耦合器件是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過(guò)光電耦合構(gòu)成的電—光和光—電轉(zhuǎn)換的器件。下圖為常用的三極管型光電耦合器原理圖，工作時(shí)以光作為媒介來(lái)傳遞信息，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。

　　光耦被光信號(hào)隔離的兩端之間存在寄生電容，一般為2pF，一個(gè)光耦能夠在很高的頻率提供良好的隔離。當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，光敏三極管導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。對(duì)于數(shù)字量，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通。

　　由于光電耦合器件具有上述一系列特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，特別是測(cè)量控制系統(tǒng)中，成為接口技術(shù)中十分重要的隔離器件。

　　單片機(jī)接口電路中的光電隔離

　　單片機(jī)有多個(gè)輸入端口，接收來(lái)自遠(yuǎn)處現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳來(lái)的狀態(tài)信號(hào)，單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)處理后，輸出各種控制信號(hào)去執(zhí)行相應(yīng)的操作。在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣時(shí)，會(huì)存在較大的噪聲干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)，會(huì)使控制準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。

　　因此，可在單片機(jī)的輸入和輸出端，用光耦作接口，對(duì)信號(hào)及噪聲進(jìn)行隔離。如在“A/D轉(zhuǎn)換器”的數(shù)字信號(hào)輸出處進(jìn)行光電隔離，實(shí)現(xiàn)將模擬電路和數(shù)字電路相互隔離，起到抑制共模干擾的作用。對(duì)于線性模擬電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)奶匦浴?/p>

　　功率驅(qū)動(dòng)電路的光電隔離

　　在控制系統(tǒng)中，光電隔離大量應(yīng)用在開(kāi)關(guān)量的控制方面，這些開(kāi)關(guān)量一般經(jīng)過(guò)單片機(jī)的I/O輸出，而I/O的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些電磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)接口電路，為避免受到干擾，須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與單片機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號(hào)與晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行隔離，雙向晶閘管隔離驅(qū)動(dòng)原理圖如下所示：

　　遠(yuǎn)距離的隔離傳送

　　測(cè)控系統(tǒng)中，由于測(cè)控系統(tǒng)與被測(cè)和被控設(shè)備之間不可避免地要進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，信號(hào)在傳輸過(guò)程中很易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變或失真。另外，在通過(guò)較長(zhǎng)電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間，常因設(shè)備間的地線電位差（低頻時(shí)），導(dǎo)致低頻的共模地環(huán)路電流，對(duì)電路形成差模干擾電壓。為確保長(zhǎng)線傳輸?shù)目煽啃裕刹捎霉怆婑詈掀鞲綦x措施，提高電路系統(tǒng)的抗干擾性能。若傳輸線較長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重，可通過(guò)兩級(jí)光電耦合器將長(zhǎng)線完全“浮置”起來(lái)，傳輸長(zhǎng)線的光耦浮置處理，如下圖所示：

　　長(zhǎng)線傳輸?shù)摹案≈谩笔侨サ袅碎L(zhǎng)線兩端的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓形成相互串?dāng)_，而且也有效地解決了長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問(wèn)題。同時(shí)，受控設(shè)備短路時(shí)，還能保護(hù)系統(tǒng)不受損害。但是這種“浮置”只適用于低頻，高頻時(shí)，“浮置”將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。很多人認(rèn)為光耦是截?cái)喔蓴_路徑的最理想方法，但是盡管光耦具有以上有利于EMC 的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用光耦進(jìn)行隔離時(shí)，還需注意如下事項(xiàng)：

　　1、在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立并隔離的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。即便是隔離的電源，若要保證高頻的隔離效果，就必須保證電源的隔離度與光耦的隔離度相當(dāng)，即兩組獨(dú)立的電源之間的寄生電容與光耦兩端的寄生電容相當(dāng)，否則，高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)電源進(jìn)入隔離的另一側(cè)，使隔離在高頻下失效。實(shí)際上，由于電源隔離變壓器初次級(jí)之間的寄生電容相對(duì)較大，在高頻下，電源并不能做到很好的隔離，這使得整個(gè)隔離效果降低。

　　2、當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入/輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒(méi)有意義的。

　　3、多路信號(hào)隔離時(shí)，多路光耦并聯(lián)使用，這將使整個(gè)電路的高頻隔離度降低，因?yàn)槎嗦饭怦畹牟⒙?lián)使光耦兩端之間的總寄生電容增加，導(dǎo)致高頻隔離效果變差。

　　4、由于光耦也并非高頻意義上的完全隔離，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，當(dāng)干擾施加在光耦的一端時(shí)，光耦的另一端的信號(hào)也應(yīng)該進(jìn)行濾波處理。

　　光耦濾波的方式有以下兩種方式：

　　對(duì)于具有基極端子的光耦，則在基極端子上并聯(lián)濾波電容，其中濾波電容的值在100pF以上，具體數(shù)值取決于光耦的工作頻率，如下圖所示：

　　對(duì)于沒(méi)有基極端子的光耦，則在集電極端子上并聯(lián)濾波電容，其中濾波電容的值也在100pF以上，具體數(shù)值取決于光耦的工作頻率。如下圖所示：

　　2.2、繼電器隔離

　　電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁吸引力的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力作用下返回原來(lái)旳位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣的吸合、釋放，達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”，處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常閉觸點(diǎn)”。

　　繼電器實(shí)際上是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

　　如下圖所示，當(dāng)A點(diǎn)輸入高電平時(shí)，晶體三極管T飽和導(dǎo)通，繼電器J吸合；當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，T截止，繼電器J則釋放，完成了信號(hào)的傳遞過(guò)程。D是保護(hù)二極管。當(dāng)T由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器線圈兩端產(chǎn)生很高的反電勢(shì)，以繼續(xù)維持電流I。由于該反電勢(shì)一般很高，容易造成T的擊穿。加入二極管D后，為反電勢(shì)提供了放電回路，從而保護(hù)了三極管T。

　　在應(yīng)用中繼電器的隔離通常和光電耦合器一起使用，原理圖如下所示：

　　2.3、共模扼流圈（共模電感）隔離

　　在討論共模干擾的場(chǎng)合下，有一種用來(lái)抑制共模干擾的電感器件叫共模電感（Common modeChoke）也叫共模扼流圈。共模電感并非像光耦隔離、繼電器隔離那樣屬于隔離器件，這些器件中被隔離的兩端，通過(guò)磁或光的信號(hào)傳輸。共模電感在EMC領(lǐng)域里應(yīng)用時(shí)，主要功能是將共模干擾隔離在共模電感輸入/輸出的兩端。

　　如下圖所示為共模電感的原理圖。圖中La和Lb就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同（繞制反向）。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流僅受線圈電阻的影響（和少量因漏感造成的阻尼）；

　　當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。共模電感還有一個(gè)特點(diǎn)就是，為防止磁飽和，共模電感可以使用一較高的磁導(dǎo)率磁芯且在磁芯相對(duì)小的條件下可得到一比較高的電感，這也是為什么不能用兩個(gè)分別串聯(lián)在信號(hào)線上和信號(hào)回流線上的差模電感代替一個(gè)共模電感的原因。