智能型剩余電流保護(hù)器EMC的設(shè)計(jì)方案介紹

導(dǎo)讀：本文提出了一種基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能型剩余電流保護(hù)器。從多個(gè)方面介紹該智能型剩余電流保護(hù)器的EMC設(shè)計(jì)方法，通過軟件和硬件的配合，從而實(shí)現(xiàn)減少高頻輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。

1 能型剩余電流保護(hù)器系統(tǒng)介紹

EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作且不對(duì)該環(huán)境中任何物體構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。剩余電流保護(hù)器作為電網(wǎng)末端供電線路保護(hù)裝置（400V以下），必須滿足。

EMC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17626.5-1999要求，取得3C認(rèn)證，才能投入電網(wǎng)運(yùn)行。圖1為用P87LPC767單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能型剩余電流保護(hù)器系統(tǒng)框圖，在電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)等方面同步考慮其EMC設(shè)計(jì)。剩余電流保護(hù)器是一種低壓電器設(shè)備，內(nèi)部沒有大功率的高頻電路，電磁輻射微弱，它產(chǎn)生的電磁騷擾對(duì)其他設(shè)備影響很小，這方面不是EMC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。剩余電流保護(hù)器EMC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是其在受到其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾時(shí)能保持穩(wěn)定工作的能力，也即抗干擾能力。剩余電流保護(hù)器受到的干擾主要來自電網(wǎng)本身，主要有線路突然斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌（沖擊），以及由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生瞬時(shí)擾動(dòng)，這兩方面是EMC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。下文從多個(gè)方面介紹該智能型剩余電流保護(hù)器的EMC設(shè)計(jì)方法。

圖1:智能型剩余電流保護(hù)器系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

該剩余電流保護(hù)器采用P87LPC767單片機(jī),剩余電流的采樣檢測(cè)、計(jì)算、顯示、動(dòng)作判據(jù)、保護(hù)動(dòng)作的執(zhí)行等重要工作都由單片機(jī)完成，單片機(jī)系統(tǒng)本身的抗干擾能力直接決定整個(gè)保護(hù)器的抗干擾能力。而單片機(jī)本身的時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位電路、中斷信號(hào)、取樣信號(hào)等又容易受到電磁干擾的影響，消除或抑制電磁干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)的影響十分重要。

具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

單片機(jī)工作電源和系統(tǒng)其他電路電源分開設(shè)計(jì)，避免其他電路對(duì)單片機(jī)工作電源產(chǎn)生影響，單片機(jī)工作電源設(shè)計(jì)留有足夠的余量，防止電源的波動(dòng)影響單片機(jī)工作。在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，在單片機(jī)電源引腳接電容和瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），如圖2所示。100 μF電解電容存儲(chǔ)的能量在電源波動(dòng)時(shí)（降低）釋放出來，保持電源穩(wěn)定；0.1μF的高頻電容可以吸收電源上的高頻干擾；TVS吸收瞬態(tài)浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，保持單片機(jī)工作電源穩(wěn)定。

圖2:單片機(jī)電源引腳設(shè)計(jì)

復(fù)位電路采用P87LPC767單片機(jī)內(nèi)部上電復(fù)位電路，避免干擾信號(hào)對(duì)復(fù)位電路的直接影響，只要單片機(jī)工作電源穩(wěn)定，將不會(huì)出現(xiàn)誤復(fù)位引起的誤動(dòng)作。中斷和其他I/O口電容進(jìn)行濾波，減少干擾的影響。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，啟用P87LPC767內(nèi)部的看門狗，防止PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，進(jìn)入“死循環(huán)”.在程序存儲(chǔ)空間的非程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，當(dāng)由于干擾使操作系統(tǒng)失控而進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，將引導(dǎo)指令轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

3 頻干擾的消除--“采樣監(jiān)測(cè)”法

由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生瞬時(shí)擾動(dòng)，產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)主要是通過系統(tǒng)進(jìn)線電源進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。檢測(cè)這方面的抗干擾能力，主要是通過“電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)”驗(yàn)證。根據(jù)低壓電器產(chǎn)品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)時(shí)在供電輸入端疊加頻率為2500Hz,幅度4000V的群脈沖，分別進(jìn)行相線、地線的差模、共模，正極性、負(fù)極性試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)間均為1min,群脈沖的波形如圖3所示。如果在“電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)”過程中保護(hù)器不產(chǎn)生誤動(dòng)作，則這方面的抗干擾能力就是合格的。

圖3:電快速瞬變?nèi)好}沖試驗(yàn)波形

本系統(tǒng)利用“采樣監(jiān)測(cè)”法對(duì)電源上的高頻干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給出相應(yīng)的標(biāo)志，由軟件程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免保護(hù)器誤動(dòng)作。詳細(xì)原理如下：

為保證剩余電流測(cè)量的實(shí)時(shí)性，該保護(hù)器采用數(shù)字采樣法測(cè)量剩余電流，將剩余電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖4所示的波形，送給P87LPC767單片機(jī)內(nèi)部的A/D進(jìn)行采樣測(cè)量。

圖4:剩余電流采樣波形

數(shù)字采樣方法具有數(shù)字濾波效果，對(duì)信號(hào)的通道干擾有抑制作用。設(shè)定每個(gè)周期采樣100個(gè)點(diǎn)，由定時(shí)器T0產(chǎn)生采樣時(shí)間間隔。將系統(tǒng)某相進(jìn)線電源（如A相） 信號(hào)經(jīng)過降壓、整形電路如圖5所示，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。作為單片機(jī)中斷0的觸發(fā)信號(hào)，在正常情況下電源信號(hào)的頻率為50Hz左右，在兩次中斷期間，對(duì)剩余電流的采樣次數(shù)為100次。

當(dāng)電源有高頻干擾信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)也同步受到干擾，頻率也疊加有高頻脈沖，將對(duì)中斷產(chǎn)生影響，兩次中斷觸發(fā)的時(shí)間縮短，則兩次中斷期間對(duì)剩余電流的采樣次數(shù)也將小于100次。利用單片機(jī)中斷對(duì)剩余電流采樣過程的監(jiān)測(cè)，可以判斷出系統(tǒng)是否受到高頻干擾，采取相應(yīng)的軟件處理可以避免保護(hù)器的誤動(dòng)作。

圖5:A相電源降壓、整形電路

系統(tǒng)主程序通過對(duì)bgrc1進(jìn)行判斷，如果有效進(jìn)行干擾軟件處理，無效則采用測(cè)量過程沒有受到電源的高頻干擾，進(jìn)行正常的計(jì)算處理。

4 其他抗干擾措施

斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌，也是保護(hù)器電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在電源線的火線和零線間加入氧化鋅壓敏電阻，當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于標(biāo)稱電壓時(shí)，其電阻幾乎無窮大，稍超過額定值后，電阻值便急劇下降，反應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)。壓敏電阻可以使浪涌干擾大幅衰減，減小對(duì)其他電路的影響。

在設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器PCB板時(shí)，綜合考慮各種可能影響保護(hù)器性能的因素，提高PCB對(duì)干擾的抑制能力。強(qiáng)電電路集中線路板邊緣一端，并與弱電部分保持適當(dāng)距離。模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字處理電路分離，由于采用單片機(jī)內(nèi)部的A/D,兩者不能做到完全分離，布線時(shí)使模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)共地。系統(tǒng)電源線和地線加粗，空白的地方覆銅，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，作為數(shù)字地的一部分，減小模擬信號(hào)對(duì)數(shù)字處理電路的干擾。單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘電路盡可能靠近芯片引腳，并與其他器件和PCB走線保持適當(dāng)空間，減少高頻輻射對(duì)系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)束

由于采取的硬件、軟件措施正確有效，該保護(hù)器順利通過了產(chǎn)品型式試驗(yàn)，取得3C認(rèn)證，運(yùn)行可靠，沒有出現(xiàn)誤動(dòng)作。采用單片機(jī)的中斷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源干擾，繼而監(jiān)測(cè)交流信號(hào)的采樣過程。實(shí)踐證明，通過軟件和硬件的配合，是消除交流采樣系統(tǒng)高頻干擾的有效方法。