P87LPC767单片机设计剩余电流保护器EMC设计

EMC是指设备或系统在其电磁环境中能工作且不对该环境中任何物体构成不能承受的电磁骚扰的能力。剩余电流保护器作为电网末端供电线路保护装置(400V以下)，必须满足。EMC国家标准GB/T17626.5—1999要求，取得3C认证，才能投入电网运行。图1为用P87LPC767单片机设计的智能型剩余电流保护器系统框图，在电路设计、软件设计、PCB板设计等方面同步考虑其EMC设计。剩余电流保护器是一种低压电器设备，内部没有大功率的高频电路，电磁辐射微弱，它产生的电磁骚扰对其他设备影响很小，这方面不是EMC设计的重点。剩余电流保护器EMC设计的重点是其在受到其他设备产生的电磁干扰时能保持稳定工作的能力，也即抗干扰能力。剩余电流保护器受到的干扰主要来自电网本身，主要有线路突然断路或雷电瞬变过压引起的单极性浪涌(冲击)，以及由于闪电、接地故障或切换电感性设备而引起的信号参数产生瞬时扰动，这两方面是EMC设计的重点，也是设计的难点。下文从多个方面介绍该智能型剩余电流保护器的 EMC 设计方法。

图1：智能型剩余电流保护器系统框图

单片机系统的抗干扰设计

该剩余电流保护器采用P87LPC767单片机，剩余电流的采样检测、计算、显示、动作判据、保护动作的执行等重要工作都由单片机完成，单片机系统本身的抗干扰能力直接决定整个保护器的抗干扰能力。而单片机本身的时钟信号、复位电路、中断信号、取样信号等又容易受到电磁干扰的影响，消除或抑制电磁干扰信号对单片机的影响十分重要。

具体从以下几个方面进行设计：

单片机工作电源和系统其他电路电源分开设计，避免其他电路对单片机工作电源产生影响，单片机工作电源设计留有足够的余量，防止电源的波动影响单片机工作。在设计PCB板时，在单片机电源引脚接电容和瞬态电压抑制器(TVS)，如图2所示。100 μF电解电容存储的能量在电源波动时(降低)释放出来，保持电源稳定;0.1μF的高频电容可以吸收电源上的高频干扰；TVS吸收瞬态浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，保持单片机工作电源稳定。

图2：单片机电源引脚设计

复位电路采用P87LPC767单片机内部上电复位电路，避免干扰信号对复位电路的直接影响，只要单片机工作电源稳定，将不会出现误复位引起的误动作。中断和其他I/O口电容进行滤波，减少干扰的影响。

系统软件设计上，启用P87LPC767内部的看门狗，防止PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，进入“死循环”。在程序存储空间的非程序区设置软件陷阱，当由于干扰使操作系统失控而进入非程序区时，将引导指令转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。系统高频干扰的消除——“采样监测”法

由于闪电、接地故障或切换电感性设备而引起的信号参数产生瞬时扰动，产生的高频干扰信号主要是通过系统进线电源进入系统内部。检测这方面的抗干扰能力，主要是通过“电快速瞬变脉冲群抗扰度试验”验证。根据低压电器产品试验标准要求，试验时在供电输入端叠加频率为2500Hz，幅度4000V的群脉冲，分别进行相线、地线的差模、共模，正极性、负极性试验，每项试验时间均为1min，群脉冲的波形如图3所示。如果在“电快速瞬变脉冲群抗扰度试验”过程中保护器不产生误动作，则这方面的抗干扰能力就是合格的。

图3：电快速瞬变群脉冲试验波形

本系统利用“采样监测”法对电源上的高频干扰进行监测，给出相应的标志，由软件程序进行相应的处理，避免保护器误动作。详细原理如下：

为保证剩余电流测量的实时性，该保护器采用数字采样法测量剩余电流，将剩余电流信号转换为图4所示的波形，送给P87LPC767单片机内部的A/D进行采样测量。

图4：剩余电流采样波形

数字采样方法具有数字滤波效果，对信号的通道干扰有抑制作用。设定每个周期采样100个点，由定时器T0产生采样时间间隔。将系统某相进线电源(如A相) 信号经过降压、整形电路如图5所示，转换为方波信号。作为单片机中断0的触发信号，在正常情况下电源信号的频率为50Hz左右，在两次中断期间，对剩余电流的采样次数为100次。当电源有高频干扰信号时，转换的方波信号也同步受到干扰，频率也叠加有高频脉冲，将对中断产生影响，两次中断触发的时间缩短，则两次中断期间对剩余电流的采样次数也将小于100次。利用单片机中断对剩余电流采样过程的监测，可以判断出系统是否受到高频干扰，采取相应的软件处理可以避免保护器的误动作。

图5：A相电源降压、整形电路

系统主程序通过对bgrc1进行判断，如果有效进行干扰软件处理，无效则采用测量过程没有受到电源的高频干扰，进行正常的计算处理。

其他抗干扰措施

断路或雷电瞬变过压引起的单极性浪涌，也是保护器电磁兼容设计的重点。在电源线的火线和零线间加入氧化锌压敏电阻，当加在压敏电阻两端的电压低于标称电压时，其电阻几乎无穷大，稍超过额定值后，电阻值便急剧下降，反应时间为ns级。压敏电阻可以使浪涌干扰大幅衰减，减小对其他电路的影响。

在设计剩余电流保护器PCB板时，综合考虑各种可能影响保护器性能的因素，提高PCB对干扰的抑制能力。强电电路集中线路板边缘一端，并与弱电部分保持适当距离。模拟信号处理电路和数字处理电路分离，由于采用单片机内部的A/D，两者不能做到完全分离，布线时使模拟地和数字地只在一点共地。系统电源线和地线加粗，空白的地方覆铜，采用网状结构，作为数字地的一部分，减小模拟信号对数字处理电路的干扰。单片机系统时钟电路尽可能靠近芯片引脚，并与其他器件和PCB走线保持适当空间，减少高频辐射对系统的影响。

由于采取的硬件、软件措施正确有效，该保护器顺利通过了产品型式试验，取得3C认证，运行可靠，没有出现误动作。采用单片机的中断，监测系统的电源干扰，继而监测交流信号的采样过程。实践证明，通过软件和硬件的配合，是消除交流采样系统高频干扰的有效方法。