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陶老师ESD、EMI、EM讲座(3)——防雷设计

陶老师ESD、EMI、EM讲座(3)——防雷设计

点击数:7173 次   录入时间:03-04 11:55:02   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘

对于滤波电容,大家注意前面的EMC滤波,这个电容不是理想电容,里面有一个电感,还有漏电电阻,里面有串联电阻,电感和电容有没有产生串联谐振?曲线是这样一条斜线,串联谐振相当于把信号短路掉了,信号短路的阻碍很大,这里面有一个最佳值,然后成为感线,进行EMC电路设计的时候最好用不同的电容进行配模,这是0.4的曲线,33nF并联就可以保证在上面不是好的,单独一个电容后面覆盖不到,以后有机会我讲这些元器件,你们在大学里面学的是符号,对电阻电容基本是不懂的,还有电组电容这方面的问题最多,还有电容,电容来回极化的时候,速度跟不上外面的变化,会损耗相当大,会烧坏,特别是脉压电容,很多人认为体积越小越好,但没有考虑在开关上容易出现问题。




这是网友提出的一些问题,我放在这里。大家讨论一下:

1、防雷是否一定要接地?对于感应雷而言,局部等电位连接是否可以取代接地,设备能否得到足够的保护?
大家想想看,跟前面我们所说的,感应雷这个东西没有一个标准的概念说什么叫做感应雷。只要打雷的话,外面打雷,窗户上面的金属,如果夜间都可以看到放电产生火花,这就是通过电磁感应产生的位移电流原理。从原理上来说,三相四线或三相五线,发电机有中线接地,设备使用者的外壳接地是最有效的避雷方法,但现在很多设备都不接地,没有办法接,只有很贵重的进口设备用三相电源,中间那一条地线,地线不是中线,大家要搞清楚。中线虽然是接地的,但在这里不能当成地线,地线一定是自己大楼本身的地,而且要量好接地的地线。因为地线接进去以后,大楼对外面的电磁层进行屏蔽了,大楼相对来说也是导电的,就算不导电,现在国家都有安全要求,大楼超过多少层都要加上避雷针,就是防雷的。如果不能接地,你就要考虑充放电的问题。前面最好的共模电容我觉得还是要,我认为这个共模电容最好连接上,不能接大地,要接在外壳上,接到外壳上有什么好处?共模电压一进来,虽然电流没有通过地放电回路,把电压举高起来了,与外面输入电压是一样的,外壳电压取的一样,起到了屏蔽作用。如果这个接地的话会更加安全,但是地线要足够粗,回路也足够,因为放电的电流很大,很容易烧掉。这几个东西是经过很多年的试验,8是很成熟的东西,不管做共模还是防雷都要做上,如果连机壳都没有,只是塑料壳,也要考虑这根线接到什么位置最好?是接到里面面积最大的地方,就是公共地面积最大的地方,让电位举起来,其他电位差不会产生很大的电容回路。主要是考虑充放电回路,电流越小越好,两个电位差越小越好。

2、我们是做防雷模块的,在实际应用中,现场通常会碰到没有地可接,这时我们首先建议客户做一个接地系统,但如果因为造价或者其他原因确实接地有困难,我们建议客户把防雷器的地和其他设备做等电位连接后悬浮,是否妥当?
这个防雷模块一般都是放电管,一般在外面卖的都是压敏电阻或者气体放电管,相当于稳压二极管一样的,比较先进一点的就是与硅一样的,就是电压超过多少的时候,压敏管就导通,或者气体放电管,压敏电阻比较便宜,但是最不可靠的。首先压敏电阻过压冲击的时候,寿命有限的,只有十几次就不能用了,压敏电阻是一堆乱七八糟的二极管在里面互相接触,就是两个不同金属氧化物之间互相接触相当于一个二极管,以前我们用矿石收音机或者用矿石整流,就是拿两块氧化铜或者氧化矿石连接以后就可以当成整流二极管使用,原理是一样的,里面一大堆氧化铅,每个界面都相同,相当于一个二极管,二极管有一个耐压,通过里面来控制耐压的参数。这种一次击穿以后二极管坏掉了,选另外一个渠道。二极管都是哪个电压高击就穿哪一个,另外一个低的就不击穿,哪个电压高就损坏那一个,然后再损坏另外一个,最多只能损十几次,压敏电阻就坏了。用普通稳压二极管功率不够,分布电容比较大。用空气的话相对放电管恢复时间很长,点火时间也长,导通时间很长,恢复时间很长,对于高速的保护来不及。比如说作为传输线之类的保护是不行的,过压以后一导通了,导致长时间难以恢复。防雷模块我建议用在最后面,就是作为后备来使用,就是在IC输入角可以接输入输出接口的位置,在电源输入的地方绝对不能用,一个是用上去没有效,另外成本很高,作为输入端用人工排一个放电装置,在后面再加上防雷模块,互相组合起来使用。

3、关于EMI电磁干扰,我们的防雷元器件是否能够奏效?还是主要依靠设计、合理布局更有效?
按照道理EMI是电磁干扰,避雷元器件按照道理并不联系在一起,但EMC滤波里面,与EMC滤波器同样有防雷功能,就是前面的几个电感和共模电容还有差模电容对防雷都起到作用,大家要理解,EMC滤波是用于设备上的,但反过来考虑雷电的时候,你就要把干扰信号从外面输进来,要这样考虑了,不能单方面,最好在防雷加上一个放电装置加在电感后面,共用共模滤波电容。

4、ESD在PCB设计中应注意的事项有哪些?
ESD一般除了防雷以外,还有一些别的相关内容,里面有一些IC很容易受到周边电压比较高的器件干扰或损坏,比如说在电视机里面,电视机里面的高压包产生的高压是上万的,里面的CPU等模式电路你绝对不能靠近高压电源部分,必须远离它。以前我们试过,都是因为与高压包靠得太近了,把里面的起动器干扰,把里面的数据打乱,我们只是在上面贴了一块示波片,最开始是过滤嘴香烟里面有示波片,我们从垃圾堆里面捡来,应急处理往上面贴,让修理部这样来应付处理。慢慢我们对这个东西认识很清楚了,现在很多集成电路采取这种方式,有的在上面带一个散热片,本身可以做屏蔽,或者在上面贴一个胶纸,胶纸有导电的作用,可以放上去,这是ESD方面的防护方法。因为贴了一块以后,哪怕电离层很高的打下去都不会击坏,所以在贵重集成电路里面,在电路板上面贴一块有一边绝缘的,两边的绝缘都是零,但是有一块示波片,外面都有卖,非常方便。现在电视机里面都大量采用这种技术。对于排线的输入输出线、信号线都是靠得越近越好,两根线一定要找出来哪个是输入,哪个是输出,电流流进去还是流出来的,线靠近得越近越好,里面的面积越缩小越好,如果电流很小,信号功率很小,尽量用小而不是用大,如果大了分布电容也大,分布电容大的以后容易接受电子干扰和电容损坏,里面的长效管用眼睛看不到,用放大镜放大几百倍也是看不到的,隐线可以看到,里面隐线的电容相对来说高很多,接一点点正电进去以后击穿了,所以里面的导线越短越好。集成电路的输入输出都一般,加了一个二极管,就是与电容接在一起,本身在电路里面都有保护作用,如果没有接到电路里面用手去摸是坏掉的,接到里面有信号作用了就不会坏。
5、在射频电路中,敏感线路(如数据线等)如何保护?
数据线大家都已经有很多方法,一般数据线最好用差分,将两根线扭在一起,扭在一起以后一个流进去,一个流出来,双绞在一起,外面加一层屏蔽线,外面只有一条接地,不要两条都接,接一头就可以了,双绞线对电子干扰互相抵消,同一个方向流出来的电流产生的方向正好相反,互相抵消,差分是最好的,不要接到公共地上,用差分。很简单,这个线加一个磁环,两端都加一个磁环,这个磁环对差模有相当等于零,流过的信号一个是差模信号,干扰信号大部分是共模的,加上电感上面对共模很有效,ESD放电基本上都是共模,加载上面对ESD起到保护作用。充放电加一个小磁环,如果没有小磁环,用适配器往插头上一插,瞬间选择突然充电会有损坏,不要轻易把磁环去掉,那就是让你对充放电抑制速度的降慢。

6、IC引脚的静电防护,加什么器件既经济又有效?
如果不考虑速度,最好是在输入端加一个电阻,靠近IC加一个电容,这只有几十PU加大,如果信号频率很高,尽量想办法把信号线的阻耗降低,不要搞得很高。现在一般的信号线,高频都是50欧姆,两个之间接一个75安培或50安培的,把阻碍降低,直冲放电就是两个电位。75欧姆以上,一根线上面加的1v电压上去,流过的电流多大?或者说一个毫安的电流在上面的电压也很小,因为ESD放电的电压很高,电流很小,放电电压马上掉下来,不会冲击到集成电路里面去。所以在要求不是特别高上面,尽量把输入降低。

7、ESD防护器件什么时候应该放在端口处,什么时候该放在芯片管角?
保护单个集成电路就放在集成电路的地方最好,如果保护整个设备就放在端口。放在集成电路这个地方,后面那一段照样有电压可以感应到别的IC上,对别的IC会产生损坏,所以你要保护好IC,就在IC加上ESD的保护,如果对整个设备进行保护的话,所有的接口都加ESD保护就足够了,这个成本是最低的。因为你把数据输出、输入接一个保护,里面本身不会产生ESD放电,如果里面产生ESD放电早不能过关,ESD放电肯定从外面进去的,把所有的口都封住就不会有问题。所以,我建议你如果从设备考虑,从成本考虑就接输入输出口的地方,为了保护集成电路,对其他不管的话就接在集成电路上。

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