环路引起的干扰【EMC学习】

【现象描述】

某产品由电热丝加热部分调节温度，用继电器控制电热丝的通/断。产品在实际使用中，经常会发生继电器损坏现象。损坏后，继电器呈“触点闭合”状态。经过大量的试验证明，继电器损坏的原因是由于触点开关次数过于频繁。但是设计的开关次数远远小于继电器开关寿命，为什么会造成继电器的触点开关次数过于频繁呢？

【原因分析】

开关电热丝通/断继电器的控制板部分原理图如下图1所示。

220 V 交流电经过隔离变压器降压、整流、滤波后变成Uin=28V。28V再经过LM2576HVT 变换后成为5V VCCH，即控制电路的供电电源（此部分电源系统与设备中的其他供电电源系统完成隔离， 参考地 GNDH 浮空）。TMP01是可编程温度传感器。

在定位试验中发现，基本上每次继电器切换后，都会继续存在相当数量的多次快速切换现象，即继电器的触点闭合一断开一闭合，来回振荡，同时继电器触点两端可以看到火花。温度下降时更为严重，温度下降得越慢，振荡越严重。就是这个长期的振荡及与其一起产生的火花导致继电器损坏。

为何会产生振荡与火花呢？

先看看火花是如何产生的。继电器的负载是电阻丝。电阻丝必然存在电感成分，当电感回路断开时，电感要维持原来的电流，就会在回路中产生很高的电压，使断开点即继电器的触点重新击穿导电，在电感两端形成一种反冲击电压。一般回路的继电器断开时，只要触点间有15 V 以上的电压和回路上有 0.5 A 的电流流过时，触点就会产生火花放电。

这种放电还会产生强烈的高频辐射。当触点间的电压高于 300 V 时，将会发生辉光放电。

直到将电感中的能量消耗尽才停止放电，这时继电器触点也完全断开。可见，继电器触点在断开的瞬间，经受了高电压、大电流的冲击，长期遭受这种冲击必将影响继电器的使用寿命。

振荡又是如何产生的呢？经过对该 PCB板的布局、布线检查后发现两个问题（该板BOTTOM 与 TOP 层均敷铜， 但是为数字地，与继电器工作电路没有任何直接电连接， 当该 PCB板工作时，作为继电器工作电路地的GNDH 相当于浮空）。

(1 ) 交流220 V 强电与继电器工作供电电源 VCCH 5 V 有较长距离的近距离平行布线，而且就在相邻两层之间，存在较严重的耦合。更何况此交流线就是电热丝的供电电路，即继电器触点产生的火花就在此回路中。

(2) 继电器线圈的工作电路存在较大的环路。继电器触点产生火花放电时，这种放电产生的强烈高频辐射会通过磁耦合方式进入这个闭合环路结构（下图2中亮线所示），电磁能量就像环路内的电压源一样，电压源的电压幅度与环路的总面积成比例。干扰的接收程度也取决于形成接收大线的环路面积。

在试验中发现，将继电器的供电电路的参考地 GNDH（原来浮空）与BOTTOM 和TOP 层的敷铜层连接后，继电器的振荡现象悄失。很容易理解，振荡现象的消失就是因为GNDH 与 BOTTOM 及TOP 层的敷铜层连接后，继电器线圈的工作电路环路面积大大减小。在此干扰现象发生的过程中，环路及处于温度临界点（迟滞回线内）附近的TMP01充当了敏感电 路。

【处理措施】

(1) 为了减小磁耦合的磁通世，必须使继电器工作电路的环路面积最小化，在该产品中即将继电器工作电路地 GNDH 与T OP 、BOTTOM 层的数字电路工作地相连。

(2) 为了进一步提高工作电路的可靠性，需要将 220 V 交流线布线与 VCCH 布线在PCB 上分开，并对继电器触点的两端增加消弧电路，如并联RC、C压敏电阻等。

【思考与启示】

(1) 信号环路面积比那些电源干扰系统可产生更多的问题，如从抗干扰的观点看，因为干扰可以被直接注入环路并进入元件的输入脚，所以为了减轻干扰带来的有害干扰的后果，减小环路面积是可用的最简单的技术手段。PCB 上的环路面积如果足够大，则不但会由于环路的接收天线的作用PCB 板工作电路抗干扰能力降低，同时环路也会成为发射天线，向自由空间辐射电磁场能量，产生EMI 问题。毕竟环路就是环路，如果它能够接收辐射，也就能发射辐射。

(2) 本案例中，环路所在的信号不是高速信号。如果环路中是高速信号，那么EMI 问题也将出现，就像地平面（镜像平面）出现裂缝时造成信号回流的环路面积增大的情况那样。借此案例，顺便说明一下，数字电路板中地平面出现裂缝时，信号回路向外界辐射增大的原因。据分析，当高速数字电路板中大地平面被裂缝分割时，印制线条附近的场强出现明显的增加，这是因为地回路中的镜像回路必须绕过裂缝并因此导致高频电流回路增大。因为对微带线的特性阻抗影响不大，高频源输出电流就变化不大，但是由于大地的裂缝可以看成在镜像回路中增加了串联电容器件，所以电流的输出总量会略有减少。而远处的辐射场则由于高频电流回路增大会有增加。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》