１ 概述 1.1 前言 智能保护控制类产品多采用高性能数字信号处理（ＤＳＰ）芯片及电压、电流、漏电采集、ＤＩ状态点采集、Ａ/Ｄ转换、放大器、通讯端口、ＬＣＤ/ＬＥＤ显示、输出等组成，通过对采集上的模拟量分析、判断、输出，实现对诸多过程的在线保护、监测和控制。由于其在电力系统各个环节中应用比较广泛，因此开发研制性能稳定可靠的智能保护产品是电力产品生产厂家和电力系统用户共同的需要。随着数字技术的飞速发展和广泛应用，各种智能保护控制装置的设计采用高速运算芯片器件逐渐增多，电子布线不仅密集也越来越复杂，电磁骚扰（ＥＭＩ）和电磁兼容性（ＥＭＣ）问题，已成为影响此类产品可靠性和安全性主要问题，电磁兼容成为一门科学开始被予以研究，抗干扰、防辐射技术在产品设计中的作用逐渐被引起重视。但业界大部分仍采用在产品定型后，再进行测试－修改－测试的ＥＭＣ设计形式，这不仅会增加成本、延误开发周期，而且可能增加硬件和软件版本，维护不便，因此如果在产品设计初期考虑电磁兼容设计，此时可采用的方案较多，花费少，效率高。
１ 概述
1.1 前言
智能保护控制类产品多采用高性能数字信号处理（ＤＳＰ）芯片及电压、电流、漏电采集、ＤＩ状态点采集、Ａ/Ｄ转换、放大器、通讯端口、ＬＣＤ/ＬＥＤ显示、输出等组成，通过对采集上的模拟量分析、判断、输出，实现对诸多过程的在线保护、监测和控制。由于其在电力系统各个环节中应用比较广泛，因此开发研制性能稳定可靠的智能保护产品是电力产品生产厂家和电力系统用户共同的需要。随着数字技术的飞速发展和广泛应用，各种智能保护控制装置的设计采用高速运算芯片器件逐渐增多，电子布线不仅密集也越来越复杂，电磁骚扰（ＥＭＩ）和电磁兼容性（ＥＭＣ）问题，已成为影响此类产品可靠性和安全性主要问题，电磁兼容成为一门科学开始被予以研究，抗干扰、防辐射技术在产品设计中的作用逐渐被引起重视。但业界大部分仍采用在产品定型后，再进行测试－修改－测试的ＥＭＣ设计形式，这不仅会增加成本、延误开发周期，而且可能增加硬件和软件版本，维护不便，因此如果在产品设计初期考虑电磁兼容设计，此时可采用的方案较多，花费少，效率高。
本文根据在工作中积累的一些经验，简单总结了智能保护控制产品设计过程中与ＥＭＣ相关环节的设计思路和技巧。
１．２ ＥＭＣ干扰的种类
ＥＭＣ设计首先要了解干扰产生的途径，才能有针对性的去解决实际问题，通常有以下三种：
（１）传导干扰：干扰信号通过
电源线、信号线影响其它的设备，将这个电压/电流的变化称为“传导干扰”。传导干扰有两种形式，即“共模”和“差模”干扰。“滤波”是解决传导干扰的有效方法。
（２）辐射干扰：通过空间传播并对其它设备电路产生无用的电压/电流或造成危害的干扰。屏蔽是解决辐射干扰较有效的方法；
（３）瞬态干扰：环境中存在着一些短暂的高能脉冲通过导线或辐射的形式对设备或系统造成危害的干扰。常见的瞬态干扰有三种即各类电快速脉冲瞬变干扰、各类浪涌干扰、静电放电干扰。
２ 相关设计环节电磁兼容阐述
２．１ 结构、屏蔽、接地与ＥＭＣ关系
（１）结构设计是解决ＥＭＣ问题的重要途径，电磁场屏蔽、接地系统、干扰耦合等都需要借助良好的结构设计。在智能保护控制产品的ＥＭＣ设计中，屏蔽设计、接地设计、滤波设计等都不能独立存在，信号输入/输出接口的位置，各种电路在产品中的分布，线束的连接，接地点位置的选择等都对电磁兼容产生重要的影响。
（２）屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。屏蔽主要针对静电屏蔽和电磁屏蔽进行设计，静电屏蔽主要侧重完善的屏蔽体和良好的接地性；电磁屏蔽则要求屏蔽体具有良好的导电连续性。
（３）接地是抑制电磁干扰、提高智能保护控制类产品EMC性能的重要手段之一。正确的接地既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI骚扰。在EMC设计中一般采用三种接地方式：单点接地、多点接地、浮地(设备地线系统在电气上与大地绝缘的一种接地方式)。由于浮地自身的一些弱点，其接地方式已逐渐不被EMC设计所采用。根据经验，对于低频部分(≤1MHz)采用单点接地较好；对于高频部分(≥10MHz)采用多点接地、单/多点混合接地、背板接地等方式。但接地设计的原则是考虑“接地”点的位置和“接地”措施，而并非是选择“单点接地”或“多点接地”。
2.2 结构、屏蔽、接地在电路设计中的要点
（1）晶振低下避免分布信号线，特别是与对外接口直接连接的信号线；
（2）缝隙也是天线，使用导电橡胶、衬垫之类的材料时要保证接触面的导电性；
（3）避免金属件悬空，“悬空”金属件一定要接地或接“0V”处理，PCB上IC芯片空闲引脚应把它们就近接地或电源；
（4）接地线与电源线尽量一起布线，避免采用“就近接地”的方式以免造成较大的环路，接收意外的骚扰，根据经验接地线与电源线以小于5mm距离平行布线效果较理想；
（5）在变压器中采用屏蔽技术，在变压器初级与次级之间加屏蔽层，并接至直流地或直流高压端；
（6）合理设计散热片形状与安装方法，可最大限度降低干扰源的收/发，改善EMC环境；
（7）磁珠推荐使用在电源或信号线上来增加去耦的效果，但在数字地和模拟地之间使用时应慎重；模拟地和数字地应分别采用各自的接地点，将有利于提高EMC性能；
（8）结构的EMC设计要尽量避免共模干扰电流流过敏感电路或高阻抗接地路径，应尽量避免多余的容性和感性耦合。
2.3 线束、连接器、接口电路与EMC的关系及要点
（1）线束在高速数字电路PCB电磁兼容设计中是最薄弱环节，与EMC设计有关的传输特性包括以下内容：特征阻抗、传输延迟、固有电容和固有电感，是EMI的主要来源，这是因为导线是高效的电磁波接收天线和辐射天线，也是干扰传导的良好通道。线束之所以会辐射电磁波是因为电缆端口处有共模电压的存在，在这个共模电压的驱动下如同一根单级天线，根据公式：
E=12.6×10-7（fIL）（1/r）
其中，f—共模信号频率；控制共模电流强度的幅度是减少辐射的有效方法。
I—共模电流强度；
L—电缆长度；
r—辐射距离.
（2）接口电路是解决辐射问题的重要手段，减小电缆上共模高频电流的有效方法是合理设计电缆端口的接口电路或在电缆的端口处使用低通滤波器或拟制电路滤除高频共模电流，接口电路的EMC设计一般包括接口电路的滤波电路设计和保护设计。
（3）连接器（如插座）是接口电路与电缆之间的通道，因此建议选用带屏蔽外壳的连接器，连接电阻要尽量小，一般应小于1mΩ.
（4）PCB之间的连接是产品EMC的薄弱环节，EMI问题常常因为高速、高边沿信号的互联而变得复杂，因此互连的过程通常伴随着串扰和地参考电平的分离，一个没有屏蔽或良好地平面的互连连接器，两PCB间容易产生共模干扰电流，解决的办法是采用金属连接器和屏蔽电缆；减小PCB间的连接阻抗，如减小PCB板间距离、增加GND针(接地）数量等都是解决串扰问题的有效办法。
2.4 滤波措施在EMC设计中的作用
（1）滤波措施是必不可少的，一方面通过其它方式并不能完全拟制进出装置的传导噪声，另一方面数字信号处理(DSP)芯片的输出状态变化或其它原因会使芯片供电电源产生一定得噪声，并影响该芯片或其它芯片正常工作。在智能保护类产品设计中滤波包括：信号滤波和电源滤波两部分，滤波措施如去耦电容、三端电容、磁珠、电感、磁环等，但在PCB设计时，如果滤波器件的位置放置不当，滤波效果将不理想。
滤波器件安装一般考虑就近的原则，例如：
1）去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚；
2）电源滤波要尽量靠近电源输入或电源输出；
3）局部功能模块的滤波要靠近模块入口；
4）对外接口的滤波要尽量靠近接插件。
图2一种经常被电源采用的EMI滤波器的其本接线图。
其中，L1和L2组成共模电感，共模扼流圈的电感量为1mH～几十mH，取决于要滤除的干扰频率，频率越低，需要的电感量越大，在一般滤波器中共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰，高频时由于寄生电容的存在，共模扼流圈对于干扰的拟制作用比较小。
2.5 EMC抗瞬态干扰器件的作用
（1）抗瞬态干扰器件
在电源、通讯端口回路应考虑雷击浪涌干扰产生的影响，防浪涌电路的主要元器件有放电管、压敏电阻、电压钳位瞬态拟制二极管（TVS）、电压开关型瞬态拟制二极管（TSS）、热敏电阻（PTC）等。在防护器件中，气体放电管的特点是通流量大，但响应慢、击穿电压高；TVS管通流量小，响应快，电压钳位特性好；压敏电阻则介于两者之间。在实际设计中往往需要电感、电阻、导线等在上述两种元器件之间进行配合使用，浪涌
保护器件不是随便可以加的，要兼顾“前后”，否则适得其反，特别是分别开发的电路板（如图3、图4所示）。
（2）抗瞬态干扰器件在设计中应用
1）滤波器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间准许的条件下电感、电容之间保持一定的距离，必要时可设置隔离板以减小空间耦合。
2）为避免寄生电容，必要时可使用多个电感串联方式拟制高频噪声干扰，共模电容引线要尽量短。
3）不仅电源的输入口要滤波，电源的输出口也需要滤波，也可采取磁环、接地、输出与输入间隔离等措施做为拟制噪声手段。
4）电阻可作为保护器件来拟制浪涌电流，但应注意：①电阻的功率应足够大；②避免过流作用下电阻发生损坏。建议将电阻靠近芯片放置，而TVS管靠近接口放置。
5）采用磁环时要特别注意绕制的圈数，尽量绕制单层并增加匝间距离，线圈起始端与终止端远离（夹角大于40°）为好。
2.6 电路板的布局及设计要点
（1）电路板合理的布局与层设置
根据智能保护控制类产品的功能要求,其线路板PCB一般可分为：Vcc层GND层和信号层，其相对位置及电源、地平面的分割对单板的EMC指标非常重要。
Vcc、GND均能用作参考平面，相对而言，Vcc平面具有较高的特性阻抗，与参考电平存在较大的电位差；从屏蔽角度考虑GND面一般均作接地处理，并做基准电平的参考点，其屏蔽效果远远优于电源平面。单板层的排布原则如下：
1）主电源尽可能与其对应地相邻；
2）尽量避免两信号层直接相邻；
3）所有信号层尽可能与地平面相邻；
具体PCB的层设置时要根据实际情况灵活布置不应生搬硬套。
（2）PCB功能模块划分
大多智能保护控制产品电路模块实现不同的功能，如
开关电源、时钟电路、驱动电路、A/D、D/A转换电路、I/O电路、滤波电路等，在PCB设计时应根据信号流向对整个电路进行模块划分，从而保证整个布局的合理性，达到整体布线路径短，各个模块互不交错，减少模块相互干扰的可能性。除了按功能进行模块划分，还有按频率分、按信号类型分、按综合布局分等。
（3）特殊器件布局的应重点考虑的特点
1）电源部分：开关电源是EMI产生的重要源头干扰带，可达到300MHz以上，单板供电线路越长产生的干扰越大，因此电源部分最好放在单板一侧并利用孔带或分割线将电源和其它电路进行隔离。
2）时钟部分：时钟往往是单板最大的干扰源，也是进行PCB设计时最需要特殊处理的地方，在布线时要优先考虑布在内层，并进行必要的匹配，并进行屏蔽处理。
3）电感线圈（包括继电器）是接受和发射磁场的主要器件，建议放置在离EMI源较远的位置(发射源可能是开关电源、时钟输出、总线驱动等)。
4）总线驱动部分：一般总线驱动电路附近的辐射场很高，应使驱动后信号到所驱动输出口的距离尽量靠近，必要时可考虑在大量的总线驱动部分加局部屏蔽体。
5）滤波器件：滤波电路在布局布线时必须严格注意以下几点：
①滤波电路的地应该是低阻抗的地，同时不同功能电路间不能存在共地；
②滤波电路的输入输出不能相互交叉走线，必须加以隔离；
③设计中应注意信号线路尽量短；尽量减小滤波电容的等效串联电感和等效串联电阻；
④接口滤波电路应尽量靠近接插件。
3 结束语
智能保护控制类产品的电磁兼容性设计是一项复杂的技术工作，对于EMC问题不存在完全的解决方法。电磁兼容涉及面很广，电磁兼容性领域也正在发展，重要的是掌握有关电磁兼容的基本原理，认真分析和试验，就能选择合适的解决问题方法。
