EMC保護電路及其應用

　　電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環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。

　　一、EMC保護電路

　　隔離

　　因為信號電路無法承受千伏級電壓，這種干擾必須排除在輸入電路之前，可以將其轉變成電流信號、然后轉化成熱量消耗掉。地回路電流可以進入接口并流過整個電路，一般需要電流隔離。在連接線較長或地回路電流較大的工業系統中，隔離是一種行之有效的辦法。

　　一個峰值為30A的ESD脈沖在地線上會產生幾十豪伏的電阻壓降，但是它陡峭的上升時間（30A/ns）可以在同樣的線路上產生高達幾百伏的感應電壓，足以導致錯誤數據的產生，如此高的頻率將產生集膚效應，使線電阻顯著增加。為了抵消這種效應，需要采用大面積接地以獲得低阻特性。

　　快速上升脈沖將產生FTB和ESD干擾，通過電容耦合到低噪聲區域。在解決這個問題時，經常有人錯誤地在主電源變壓器上增加額外的繞組來提供一個隔離的電源，這種方法只能導致干擾進一步擴散，使整個電路受到影響。

　　氣體放電管

　　一種充滿氖氣的蝶形電容器。電壓超過100V時產生一個等離子區能夠限制最高電壓，它可以承受較大的電流，具有較小的漏電流，氣體放電管可吸收高壓瞬態脈沖。

　　壓敏電阻器

　　一種由金屬氧化物（主要為鋅）制成的保護器件。它的功能近似于齊納二極管，響應速度比氣體放電管快，但漏電流比較高，尤其是在信號接近于鉗位電壓時。

　　Transzorb二極管

　　用于限制低壓信號的快速瞬變，其功率耗散能力受其尺寸的制約。同壓敏電阻類似，在接近擊穿電壓時有較大的漏電流。

　　ESD結構

　　一種新穎的設計方案，它將雙向二極管集成在MAX202E，MAX485E和其他RS-232/RS-485收發器芯片中。它們具有低電容和低漏電流特性，適合于ESD和FTB保護。

　　扼流圈、鐵氧體

　　能衰減高頻和快變電壓峰值，但不能吸收額外能量。為避免諧振，總是和電容衰減器一同使用（類似于T型結構的LC濾波器），這些器件經常用來抑制共模干擾并作為主要濾波器件。

　　電容器

　　是重要的保護元件之一，具體應用中需要考慮的參數包括：等效串聯電阻（ESR）、磁感應系數、額定電流和額定電壓。

　　串聯電阻

　　是重要且廉價的保護器件之一，適當地選定電阻值和功率耗散值，可以替代許多昂貴的保護器件。

　　二、EMC保護電路的應用

　　熱電偶

　　為避免由于地環路電流的影響造成信號失真，多數熱電偶應用中在信號采集和信號處理之間提供電流隔離。如圖2，差分信號通過多路復用器饋送到儀表放大器的輸入端，然后送入A/D轉換器（ADC）轉換成數字信號，ADC的數字輸出信號通過光或磁耦合器傳輸。

　　熱電偶每個電極采用一個簡單的低通RC網絡（2kΩ 100nF）提供保護，另外，在電路公共端和設備機柜接地端之間還需接入一個具有高額定電壓的1nF電容，該電容器將ESD干擾旁路到地，維持直流電流的隔離。它同時組成一個電容分壓器，降低隔離電源的峰值電壓。由于漏電流在流過該保護串聯電阻時將引起靜態信號誤差，需考慮多路復用器、緩沖放大器等產生的漏電流。

　　MAX4052A多路復用器引腳兼容于工業標準器件4052，在擴展溫度范圍內保證最大漏電流不超過5nA，25℃時漏電流典型值為2pA，可能產生的最大誤差只有2μV。這個誤差是大多數熱電偶允許接受的。如果采用儀表放大器做信號緩沖（使用MAX4524四運算放大器），將使泄漏電流在擴展溫度范圍內降低到100pA，25℃時典型值為1pA。另外，極低的輸入失調電壓溫漂系數（只有0.3μV/℃）使該緩沖器非常適合于高阻抗、小幅值信號源。

　　角度編碼器

　　角度編碼器可以用來測定電機轉子的位置，精密的定位系統采用雙通道、正交差分正弦信號作為高精度轉子的位置指針，這樣的系統經常需要采用RS-485/422串行總線來設置編碼器初始化參數，有時這些傳輸線需在遠距離傳送幾kHz的模擬信號或速率為幾Mbit/s的數字信號（見圖3）。這種情況下無法采用大阻值串聯電阻或無源阻容網絡作為保護電路，圖中，終端電阻（通常為120ohm）用來防止信號反射。為滿足發送器與接收器共模電壓指標的非對稱性（EIA-422A：-7V至+12V），需采用不對稱的保護網絡。也可以采用MAX490E RS-422收發器取代整個保護網絡，它集成有ESD和FTB保護電路。當兩個分立的接地點之間具有較大的交換電流時，可在屏蔽層和大地之間串聯一個100Ω 的電阻，最好加上一個具有低ESR值的旁路電容。

　　如果系統需要浪涌保護，則采用外部保護網絡，一個可取的方法是在線路終端串聯限流電阻。這在接收端很容易實現，它只會產生微小的信號跌落。在發送端則需確認大約10Ω的串聯電阻是否可以接受，因為MAX490E的差分輸出阻抗大約為40Ω。實用電路中一般還在數據線上串接PTC保險絲。

　　標準信號接口

　　一個±10V的接口，在電機控制應用中經常用來設置目標位置，其應用環境非常嘈雜，配線一旦發生故障將導致24V工業電源損壞。信號線保護器MAX4506和MAX4507具有60Ω的導通電阻和全溫度范圍內最大20nA的漏電流，提供了一個極好的接口保護，當較大幅度的信號通過該芯片時，系統不受影響地通過該IC。如果干擾導致保護端信號超出電源電壓（正端或者負端），線保護器將對此故障信號呈現高阻。它可以承受36V的故障電壓（斷電時達±40V）。