工程师经验：隔离方法在EMC设计中的应用及注意事项

1 引言

电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，电磁兼容包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

抑制骚扰源、切断电磁干扰传播途径、提高敏感电路的抗干扰性能，是电气电子设备电磁兼容设计三个方面，缺一不可。

接地、屏蔽、滤波、瞬态抑制、隔离等是电磁兼容设计中常见的措施或方法，其中隔离方法在提高电气电子设备的安全与电磁兼容性能发挥着重要的作用。

电磁干扰一般分为共模干扰与差模干扰，共模干扰指两根信号线与大地之间的电磁干扰，其共模电流在两根导线上具有幅度和方向者相同的特点，而差模电流干扰指在两根导线上幅度相同但方向相反的干扰电流。

理论与实践证明，电气电子产品电磁兼容问题的主要是共模干扰，或者是共模干扰通过不平衡线缆传输转化为差模电流引起的，因此，在电气电子产品的开发与应用中，通常会在其I/O端口、电源端口或内部电路信号传输过程中采用磁电、扼流圈、光电、继电器、浮地等隔离方法或措施，将共模电磁骚扰的传播路径切断或改变其流向，避免其流向电磁骚扰敏感器件或部位。

本文将重点描述磁电、光电、继电器、扼流圈、浮地等隔离方法在电气电子产品电磁兼容设计上的应用。

2 磁电隔离

在AC/DC开关电源、DC/DC电源模块、以太网、传感器信号调理电路中，为了提高电气电子设备的抗干扰、可靠性、安全性等，磁电隔离技术得到了广泛的应用。

2.1磁电隔离实质

磁电隔离实质上是利用变压器实现磁电隔离的基本原理：变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，在电路上是互相隔离的。这样可以使用变压器切断设备与外部接口（含电源）之间的共模电磁干扰传播路途，让一定频率的差模信号可以通过。

2.2磁电隔离使用注意事项

对于电气电子设备的电磁兼容来，变压器隔离可以切断变压器两端的共模电流，但是由于普通变压器作为一般电源变压器用，将某一等级的电压和电流转变成另一等级的电压和电流，没有采用任何特殊措施，其绕组间的寄生电容较大（未加屏蔽层为nF级），使得进入变压器原边的高频干扰容易通过寄生电容耦合到的副边，骚扰副边电路的正常运行。

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为提高变压器高频共模电磁干扰的抑制性能，一般会在变压器原、副边间增加静电屏蔽后，减小原/副边之间的寄生电容（一般可降到pF级）。

该屏蔽与绕组间形成新的分布电容，当将屏蔽接地后，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引回地，避免其对副边电路产生干扰，如下图所示：

3 光电隔离技术

3.1光电耦合器简介

光电隔离（简称光耦）采用光电耦合器来实现，即通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。

当给发光二极管加以正向电压时，由于空间电荷区势垒下降，P区空穴注入到N区，产生电子与空穴的复合，复合时放出大部分为光形式的能量。给发光二极管加的正向电压越高，复合时放出的光通量越大。当然，给发光二极管加的正向电压受其最大允许电流的限制。

当光敏半导体，比如光敏二极管，受到光照射时，在PN结附近产生的光生电子－空穴对在PN结的内电场作用下形成光电流。光的照度越强，光电流就越大。当光敏半导体没受到光照射时，只有很小的暗电流。

3.2光电耦合器的特性

光电耦合器的特性是用发光二极管的输入电流和光敏半导体的输出电流的函数关系来表示的，如下图所示：

从光电耦合器的特性曲线可以看出，光电耦合器的线性度较差，但可以利用反馈技术进行校正。

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3.3光耦应用中的注意事项

由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。

4 继电器隔离技术

4.1电磁继电器

电磁继电器隔离一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生的电磁效应，衔铁就会在电磁吸引力的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力的作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样的吸合、释放。

继电路实际上是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，利用较小的电流去控制较大的电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而在低频时，避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离。

4.2继电器使用注意事项

继电器基本上具有较高的抗干扰能力，它本身不属于干扰敏感器件,但是继电器在应用时，也要注意控制其线圈和触点回路之间的寄生电容，其大小一般为10pF左右，同时，继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高的场合，另外还存在触点通断时的弹跳和火花干扰以及接触电阻等缺点。

在机械触点分断信号电流的过程中，由于电路电感的存在将会在触点间感应过电压，这个过电压可能会导致触点间隙击穿而产生电弧；当触点间隙加大时，电弧熄灭，触点间电压又升高，电弧又重燃；如此重复，直到触点间距足够大电流中断时为止。

上述过程中，产生的电弧和峰值大、频率高的电压脉冲串将通过辐射和传导对其它电路和器件形成强烈的干扰。

4.2.1机械触点的熄弧电路

机械触点的熄弧电路一般由电阻R和电容C串联组成，其原理是用电容转换触点分断时负载电感L上的能量，从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰，最终由电阻吸收这部分能量。机械触点熄弧电路中的电阻R11一般取值为100Ω～200Ω，电容一般为0.1uF～0.47uF，如下图所示。

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4.2.2电感负载的续流电路

直流电路电感负载的续流电路是用二极管反向并联在电感负载上（如下图所示）。当切断电感负载时，其上的电流经二极管续流，不会产生过电压而危及电路上的其它器件。
如果用压敏电阻代替二极管，其效果会更好。因为压敏电阻吸收能量更快，从而减小了动作响应时间。

5 共模电感隔离

共模电感（CommonmodeChoke）,也叫共模扼流圈，它并非像隔离变压器、光电耦合器、电磁继电器那样属于隔离器件，这些器件中被隔离的两端，通过磁、光、机械进行信号的传输，但是共模电感在电磁兼容领域的应用时，主要是为了让共模电感像隔离器件那样将共模干扰隔离在共模电感输入/输出的两端，因此，本文也将其与隔离变压器、光电耦合器、电磁继电器一起作为隔离方法进行介绍。

共模电感也是电感的一种，众所周知，电感在电磁兼容领域中是用来控制EMI的，随着频率增加，理想电感的感抗线性增加。例如，理想的10mH电感在10kHZ时感抗是628Ω,在100MHZ时增加为6.28MΩ,使其看起来像开路，犹如隔离器件。由于电感绕线间的寄生电容限制，其实际应用频率一般不会无限制的高（通常低于200MHZ）。

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共模电感实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

共模电感由铁氧体磁芯、线圈La、Lb，以及固定架组成，两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。

这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的，如下图所示：

在电气电子产品的互连线缆、I/O端口的信号线、电源线等共模干扰传输路径上使用共模扼流圈相当于增加了共模干扰传输路径的阻抗，这样在一定的共模电压作用下，流过产品的线缆的共模电流就会减小，电磁骚扰辐射强度会也相应的降低。

6 浮地技术

接地是电气电子设备可靠、安全运行的基本技术要求之一，也是影响EMC性能高低之关键因素。电路板接地是为泄放电荷或建立电路基准电平而设置的导线连接。

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在电气电子设备中，恰当良好的接地是抑制电磁噪声和提高抗扰度的重要方法；相反，不良的接地乃是电磁干扰传播主要途径，甚至接地本身成为主要干扰源。

在铁路、电力、车载、工业现场的应用中，接地线一般也是电磁骚扰的主要来源，因此，电气电子设备一般采用防雷地、机壳地与接地线相连，而电路板的参考地通过阻容方式与机壳隔离，即浮地。

浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

浮地优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的干扰。

6.1浮地技术的应用

6.1.1零线与直流地分开

一般交流电源的零线在供电端（变压器）是接地的，但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。

此外，交流电源的零线上往往存在很多干扰，如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。

因此，在电气电子设备中，一般会采用AC/DC隔离开关电源，把交流电源地（零线L）与直流电源地（GND）分开的浮地方法，隔离来自交流电源地线的干扰。

6.1.2放大器浮地技术

对于放大器而言，特别是微小输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此，采用放大器的浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。

6.2浮地技术的注意事项

（1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。
（2）浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号可能通过该寄生电容耦合到浮地系统之中，因此，浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到良好的隔离的效果。
（3）在浮地系统中，应当注意电路板的静电累积和电压反击对设备和人身的危害，因此，一般需要将电路板通过10MΩ电阻与机壳相连。

7 结论

本文介绍了继电器、磁电、光电、浮地、共模扼流圈等几种隔离方法的原理，以及其在电磁兼容应用中需要注意的问题。为确保设备可靠运行，在电气电子设备中，一般需要将干扰源部分和敏感部分隔离开。

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