隔離方法在電氣電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)上的應(yīng)用介紹

1 引言

電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，電磁兼容包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

抑制騷擾源、切斷電磁干擾傳播途徑、提高敏感電路的抗干擾性能，是電氣電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)三個(gè)方面，缺一不可。

接地、屏蔽、濾波、瞬態(tài)抑制、隔離等是電磁兼容設(shè)計(jì)中常見的措施或方法，其中隔離方法在提高電氣電子設(shè)備的安全與電磁兼容性能發(fā)揮著重要的作用。

電磁干擾一般分為共模干擾與差模干擾，共模干擾指兩根信號(hào)線與大地之間的電磁干擾，其共模電流在兩根導(dǎo)線上具有幅度和方向者相同的特點(diǎn)，而差模電流干擾指在兩根導(dǎo)線上幅度相同但方向相反的干擾電流。

理論與實(shí)踐證明，電氣電子產(chǎn)品電磁兼容問題的主要是共模干擾，或者是共模干擾通過不平衡線纜傳輸轉(zhuǎn)化為差模電流引起的，因此，在電氣電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用中，通常會(huì)在其I/O端口、電源端口或內(nèi)部電路信號(hào)傳輸過程中采用磁電、扼流圈、光電、繼電器、浮地等隔離方法或措施，將共模電磁騷擾的傳播路徑切斷或改變其流向，避免其流向電磁騷擾敏感器件或部位。

本文將重點(diǎn)描述磁電、光電、繼電器、扼流圈、浮地等隔離方法在電氣電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。

2 磁電隔離

在AC/DC開關(guān)電源、DC/DC電源模塊、以太網(wǎng)、傳感器信號(hào)調(diào)理電路中，為了提高電氣電子設(shè)備的抗干擾、可靠性、安全性等，磁電隔離技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1磁電隔離實(shí)質(zhì)

磁電隔離實(shí)質(zhì)上是利用變壓器實(shí)現(xiàn)磁電隔離的基本原理：變壓器主要由繞在共同鐵心上的兩個(gè)或多個(gè)繞組組成。當(dāng)在一個(gè)繞組上加上交變電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個(gè)繞組之間是通過交變磁場(chǎng)互相聯(lián)系的，在電路上是互相隔離的。這樣可以使用變壓器切斷設(shè)備與外部接口（含電源）之間的共模電磁干擾傳播路途，讓一定頻率的差模信號(hào)可以通過。

2.2磁電隔離使用注意事項(xiàng)

對(duì)于電氣電子設(shè)備的電磁兼容來，變壓器隔離可以切斷變壓器兩端的共模電流，但是由于普通變壓器作為一般電源變壓器用，將某一等級(jí)的電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一等級(jí)的電壓和電流，沒有采用任何特殊措施，其繞組間的寄生電容較大（未加屏蔽層為nF級(jí)），使得進(jìn)入變壓器原邊的高頻干擾容易通過寄生電容耦合到的副邊，騷擾副邊電路的正常運(yùn)行。

為提高變壓器高頻共模電磁干擾的抑制性能，一般會(huì)在變壓器原、副邊間增加靜電屏蔽后，減小原/副邊之間的寄生電容（一般可降到pF級(jí)）。

該屏蔽與繞組間形成新的分布電容，當(dāng)將屏蔽接地后，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引回地，避免其對(duì)副邊電路產(chǎn)生干擾，如下圖所示：

3 光電隔離技術(shù)

3.1光電耦合器簡(jiǎn)介

光電隔離（簡(jiǎn)稱光耦）采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)，即通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。由于發(fā)光二極管和光敏半導(dǎo)體是互相絕緣的，從而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。

當(dāng)給發(fā)光二極管加以正向電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)勢(shì)壘下降，P區(qū)空穴注入到N區(qū)，產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，復(fù)合時(shí)放出大部分為光形式的能量。給發(fā)光二極管加的正向電壓越高，復(fù)合時(shí)放出的光通量越大。當(dāng)然，給發(fā)光二極管加的正向電壓受其最大允許電流的限制。

當(dāng)光敏半導(dǎo)體，比如光敏二極管，受到光照射時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的光生電子－空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)作用下形成光電流。光的照度越強(qiáng)，光電流就越大。當(dāng)光敏半導(dǎo)體沒受到光照射時(shí)，只有很小的暗電流。

3.2光電耦合器的特性

光電耦合器的特性是用發(fā)光二極管的輸入電流和光敏半導(dǎo)體的輸出電流的函數(shù)關(guān)系來表示的，如下圖所示：

從光電耦合器的特性曲線可以看出，光電耦合器的線性度較差，但可以利用反饋技術(shù)進(jìn)行校正。

3.3光耦應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個(gè)pF）所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

4 繼電器隔離技術(shù)

4.1電磁繼電器

電磁繼電器隔離一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生的電磁效應(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)在彈簧的反作用力的作用下返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣的吸合、釋放。

繼電路實(shí)際上是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，利用較小的電流去控制較大的電流的一種“自動(dòng)開關(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。

繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系。因此，可以利用繼電器的線圈接受電氣信號(hào)，而用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號(hào)，從而在低頻時(shí)，避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。

4.2繼電器使用注意事項(xiàng)

繼電器基本上具有較高的抗干擾能力，它本身不屬于干擾敏感器件,但是繼電器在應(yīng)用時(shí)，也要注意控制其線圈和觸點(diǎn)回路之間的寄生電容，其大小一般為10pF左右，同時(shí)，繼電器的線圈工作頻率較低，不適用于工作頻率較高的場(chǎng)合，另外還存在觸點(diǎn)通斷時(shí)的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。

在機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)嘈盘?hào)電流的過程中，由于電路電感的存在將會(huì)在觸點(diǎn)間感應(yīng)過電壓，這個(gè)過電壓可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙擊穿而產(chǎn)生電弧；當(dāng)觸點(diǎn)間隙加大時(shí)，電弧熄滅，觸點(diǎn)間電壓又升高，電弧又重燃；如此重復(fù)，直到觸點(diǎn)間距足夠大電流中斷時(shí)為止。