隔离方法在电气电子产品电磁兼容设计上的应用介绍

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。

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。

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。