【導(dǎo)讀】接地、屏蔽、濾波、瞬態(tài)抑制、隔離等是電磁兼容設(shè)計中常見的措施或方法，其中隔離方法在提高電氣電子設(shè)備的安全與電磁兼容性能發(fā)揮著重要的作用。本文介紹了繼電器、磁電、光電、浮地、共模扼流圈等幾種隔離方法，以及其在電磁兼容應(yīng)用中需要注意的問題。
1 引言
電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，電磁兼容包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)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(huán)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。
抑制騷擾源、切斷電磁干擾傳播途徑、提高敏感電路的抗干擾性能，是電氣電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計三個方面，缺一不可。
接地、屏蔽、濾波、瞬態(tài)抑制、隔離等是電磁兼容設(shè)計中常見的措施或方法，其中隔離方法在提高電氣電子設(shè)備的安全與電磁兼容性能發(fā)揮著重要的作用。
電磁干擾一般分為共模干擾與差模干擾，共模干擾指兩根信號線與大地之間的電磁干擾，其共模電流在兩根導(dǎo)線上具有幅度和方向者相同的特點(diǎn)，而差模電流干擾指在兩根導(dǎo)線上幅度相同但方向相反的干擾電流。
理論與實(shí)踐證明，電氣電子產(chǎn)品電磁兼容問題的主要是共模干擾，或者是共模干擾通過不平衡線纜傳輸轉(zhuǎn)化為差模電流引起的，因此，在電氣電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用中，通常會在其I/O端口、電源端口或內(nèi)部電路信號傳輸過程中采用磁電、扼流圈、光電、繼電器、浮地等隔離方法或措施，將共模電磁騷擾的傳播路徑切斷或改變其流向，避免其流向電磁騷擾敏感器件或部位。
本文將重點(diǎn)描述磁電、光電、繼電器、扼流圈、浮地等隔離方法在電氣電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計上的應(yīng)用。
2 磁電隔離
在AC/DC開關(guān)電源、DC/DC電源模塊、以太網(wǎng)、傳感器信號調(diào)理電路中，為了提高電氣電子設(shè)備的抗干擾、可靠性、安全性等，磁電隔離技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1磁電隔離實(shí)質(zhì)
磁電隔離實(shí)質(zhì)上是利用變壓器實(shí)現(xiàn)磁電隔離的基本原理：變壓器主要由繞在共同鐵心上的兩個或多個繞組組成。當(dāng)在一個繞組上加上交變電壓時，由于電磁感應(yīng)而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個繞組之間是通過交變磁場互相聯(lián)系的，在電路上是互相隔離的。這樣可以使用變壓器切斷設(shè)備與外部接口（含電源）之間的共模電磁干擾傳播路途，讓一定頻率的差模信號可以通過。
2.2磁電隔離使用注意事項(xiàng)
對于電氣電子設(shè)備的電磁兼容來，變壓器隔離可以切斷變壓器兩端的共模電流，但是由于普通變壓器作為一般電源變壓器用，將某一等級的電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一等級的電壓和電流，沒有采用任何特殊措施，其繞組間的寄生電容較大（未加屏蔽層為nF級），使得進(jìn)入變壓器原邊的高頻干擾容易通過寄生電容耦合到的副邊，騷擾副邊電路的正常運(yùn)行。
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為提高變壓器高頻共模電磁干擾的抑制性能，一般會在變壓器原、副邊間增加靜電屏蔽后，減小原/副邊之間的寄生電容（一般可降到pF級）。
該屏蔽與繞組間形成新的分布電容，當(dāng)將屏蔽接地后，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引回地，避免其對副邊電路產(chǎn)生干擾，如下圖所示：
3 光電隔離技術(shù)
3.1光電耦合器簡介
光電隔離（簡稱光耦）采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)，即通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實(shí)現(xiàn)信號的傳遞。由于發(fā)光二極管和光敏半導(dǎo)體是互相絕緣的，從而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。
當(dāng)給發(fā)光二極管加以正向電壓時，由于空間電荷區(qū)勢壘下降，P區(qū)空穴注入到N區(qū)，產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，復(fù)合時放出大部分為光形式的能量。給發(fā)光二極管加的正向電壓越高，復(fù)合時放出的光通量越大。當(dāng)然，給發(fā)光二極管加的正向電壓受其最大允許電流的限制。
當(dāng)光敏半導(dǎo)體，比如光敏二極管，受到光照射時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的光生電子－空穴對在PN結(jié)的內(nèi)電場作用下形成光電流。光的照度越強(qiáng)，光電流就越大。當(dāng)光敏半導(dǎo)體沒受到光照射時，只有很小的暗電流。
3.2光電耦合器的特性
光電耦合器的特性是用發(fā)光二極管的輸入電流和光敏半導(dǎo)體的輸出電流的函數(shù)關(guān)系來表示的，如下圖所示：
從光電耦合器的特性曲線可以看出，光電耦合器的線性度較差，但可以利用反饋技術(shù)進(jìn)行校正。
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3.3光耦應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個pF）所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。
4 繼電器隔離技術(shù)
4.1電磁繼電器
電磁繼電器隔離一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁吸引力的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力的作用下返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣的吸合、釋放。
繼電路實(shí)際上是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，利用較小的電流去控制較大的電流的一種“自動開關(guān)”，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。
繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系。因此，可以利用繼電器的線圈接受電氣信號，而用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號，從而在低頻時，避免強(qiáng)電和弱電信號之間的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。
4.2繼電器使用注意事項(xiàng)
繼電器基本上具有較高的抗干擾能力，它本身不屬于干擾敏感器件,但是繼電器在應(yīng)用時，也要注意控制其線圈和觸點(diǎn)回路之間的寄生電容，其大小一般為10pF左右，同時，繼電器的線圈工作頻率較低，不適用于工作頻率較高的場合，另外還存在觸點(diǎn)通斷時的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。
在機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)嘈盘栯娏鞯倪^程中，由于電路電感的存在將會在觸點(diǎn)間感應(yīng)過電壓，這個過電壓可能會導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙擊穿而產(chǎn)生電??；當(dāng)觸點(diǎn)間隙加大時，電弧熄滅，觸點(diǎn)間電壓又升高，電弧又重燃；如此重復(fù)，直到觸點(diǎn)間距足夠大電流中斷時為止。
上述過程中，產(chǎn)生的電弧和峰值大、頻率高的電壓脈沖串將通過輻射和傳導(dǎo)對其它電路和器件形成強(qiáng)烈的干擾。
4.2.1機(jī)械觸點(diǎn)的熄弧電路
機(jī)械觸點(diǎn)的熄弧電路一般由電阻R和電容C串聯(lián)組成，其原理是用電容轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r負(fù)載電感L上的能量，從而避免在觸點(diǎn)上產(chǎn)生過電壓和電弧造成的電磁干擾，最終由電阻吸收這部分能量。機(jī)械觸點(diǎn)熄弧電路中的電阻R11一般取值為100Ω～200Ω，電容一般為0.1uF～0.47uF，如下圖所示。
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4.2.2電感負(fù)載的續(xù)流電路
直流電路電感負(fù)載的續(xù)流電路是用二極管反向并聯(lián)在電感負(fù)載上（如下圖所示）。當(dāng)切斷電感負(fù)載時，其上的電流經(jīng)二極管續(xù)流，不會產(chǎn)生過電壓而危及電路上的其它器件。
如果用壓敏電阻代替二極管，其效果會更好。因?yàn)閴好綦娮栉漳芰扛?，從而減小了動作響應(yīng)時間。
5 共模電感隔離
共模電感（CommonmodeChoke）,也叫共模扼流圈，它并非像隔離變壓器、光電耦合器、電磁繼電器那樣屬于隔離器件，這些器件中被隔離的兩端，通過磁、光、機(jī)械進(jìn)行信號的傳輸，但是共模電感在電磁兼容領(lǐng)域的應(yīng)用時，主要是為了讓共模電感像隔離器件那樣將共模干擾隔離在共模電感輸入/輸出的兩端，因此，本文也將其與隔離變壓器、光電耦合器、電磁繼電器一起作為隔離方法進(jìn)行介紹。
共模電感也是電感的一種，眾所周知，電感在電磁兼容領(lǐng)域中是用來控制EMI的，隨著頻率增加，理想電感的感抗線性增加。例如，理想的10mH電感在10kHZ時感抗是628Ω,在100MHZ時增加為6.28MΩ,使其看起來像開路，猶如隔離器件。由于電感繞線間的寄生電容限制，其實(shí)際應(yīng)用頻率一般不會無限制的高（通常低于200MHZ）。
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共模電感實(shí)質(zhì)上是一個雙向?yàn)V波器：一方面要濾除信號線上共模電磁干擾，另一方面又要抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。
共模電感由鐵氧體磁芯、線圈La、Lb，以及固定架組成，兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。
這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的，如下圖所示：
在電氣電子產(chǎn)品的互連線纜、I/O端口的信號線、電源線等共模干擾傳輸路徑上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了共模干擾傳輸路徑的阻抗，這樣在一定的共模電壓作用下，流過產(chǎn)品的線纜的共模電流就會減小，電磁騷擾輻射強(qiáng)度會也相應(yīng)的降低。
6 浮地技術(shù)
接地是電氣電子設(shè)備可靠、安全運(yùn)行的基本技術(shù)要求之一，也是影響EMC性能高低之關(guān)鍵因素。電路板接地是為泄放電荷或建立電路基準(zhǔn)電平而設(shè)置的導(dǎo)線連接。
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在電氣電子設(shè)備中，恰當(dāng)良好的接地是抑制電磁噪聲和提高抗擾度的重要方法；相反，不良的接地乃是電磁干擾傳播主要途徑，甚至接地本身成為主要干擾源。
在鐵路、電力、車載、工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用中，接地線一般也是電磁騷擾的主要來源，因此，電氣電子設(shè)備一般采用防雷地、機(jī)殼地與接地線相連，而電路板的參考地通過阻容方式與機(jī)殼隔離，即浮地。
浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。
浮地優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的干擾。
6.1浮地技術(shù)的應(yīng)用
6.1.1零線與直流地分開
一般交流電源的零線在供電端（變壓器）是接地的，但由于存在接地電阻和其上流過的電流，導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。
此外，交流電源的零線上往往存在很多干擾，如果交流電源地與直流電源地不分開，將對直流電源和后續(xù)的直流電路正常工作產(chǎn)生影響。
因此，在電氣電子設(shè)備中，一般會采用AC/DC隔離開關(guān)電源，把交流電源地（零線L）與直流電源地（GND）分開的浮地方法，隔離來自交流電源地線的干擾。
6.1.2放大器浮地技術(shù)
對于放大器而言，特別是微小輸入信號和高增益的放大器，在輸入端的任何微小的干擾信號都可能導(dǎo)致工作異常。因此，采用放大器的浮地技術(shù)，可以阻斷干擾信號的進(jìn)入，提高放大器的電磁兼容能力。
6.2浮地技術(shù)的注意事項(xiàng)
（1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。
（2）浮地系統(tǒng)對地存在的寄生電容，高頻干擾信號可能通過該寄生電容耦合到浮地系統(tǒng)之中，因此，浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到良好的隔離的效果。
（3）在浮地系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)注意電路板的靜電累積和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害，因此，一般需要將電路板通過10MΩ電阻與機(jī)殼相連。
7 結(jié)論
本文介紹了繼電器、磁電、光電、浮地、共模扼流圈等幾種隔離方法的原理，以及其在電磁兼容應(yīng)用中需要注意的問題。為確保設(shè)備可靠運(yùn)行，在電氣電子設(shè)備中，一般需要將干擾源部分和敏感部分隔離開。
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