控制板設計中EMC 光電隔離處理

        在電子產品設計,控制板開發中，為了截斷產品內部電路與外界干擾的傳輸通道，或者為了安全隔離，通常在 I/O口或內部電路信號傳輸過程中采用隔離技術，這種隔離技術是 EMC的重要技術之一，其主要目的是通過控制板設計過程中隔離元件切斷噪聲路徑，達到抑制噪聲干擾的效果。對于低頻情況，采取隔離措施后，絕大多數電路均能達到很好的抑制噪聲效果，使設備滿足低頻 EMC要求。

1、隔離分類
常見的電路隔離常用在以下幾種情況：

模擬電路內的隔離

        對模擬信號測量系統而言，隔離電路相對復雜，不僅要考慮精度、頻寬等因素，而且要考慮價格因素。該系統同時具有高電壓、大電流、微電壓、微電流三種信號，這些信號需要隔離，才能實現一定頻率的隔離。

數字電路內的隔離

     控制板設計輸人端口主要采用脈沖隔離變壓器進行隔離，光耦進行隔離；數字量輸出系統主要采用光耦隔離，繼電器隔離，個別情況下還可采用高頻隔離變壓器隔離。

模擬電路與數字電路之間的隔離

    一般而言，模擬電路和數字電路之間的轉換是由模/數轉換器(A/D)或數/模轉換器(D/A)實現的。然而，如果不采取某些措施，數字電路中的高頻周期信號會對模擬電路造成一定的干擾，從而影響控制板開發中測量的精度。

        為抑制數字電路對模擬電路的干擾，通常需要將模擬電路和數字電路分離開來，但這種布線方式有時無法完全排除數字電路的干擾。要排除來自數字電路的干擾，要將數字電路從模擬電路中分離出來。在 A/D轉換器與數字電路之間加光電耦合器，使數字電路和模擬電路隔離開來實現隔離。若此種電路還不能從根本上解決模擬電路的干擾問題，則將信號接收部分與模擬處理部分分開。

       比如，前置處理器和 ADC (A/D)之間加一個人線性隔離放大器(A/D)，模/數轉換器(A/D)和數字電路之間用光電耦合器隔離，將模擬和數字隔離。這樣，既可防止數字系統中對入人模擬部分的干擾，又可阻止前電路部分的共模干擾和差模干擾。數字-模轉子(D/A)電路的隔離性與模數轉換(A/D)電路的隔離類似，所采取的技術措施也是相同的。

2、控制板開發中EMC中隔離分析
下一步要了解 EMC中的隔離設計方法：光耦隔離、繼電器隔離和共模扼流圈(共模電感)隔離設計。

2.1、光耦隔離
光耦器件具有體積小、壽命長、工作溫度范圍寬、無接觸等特點，因此被廣泛應用于各類電子設計，控制板開發中。光耦可用于隔離電路，負載接口，以及各種工業產品、家電等電路中。常用的硬件光電耦合器件實現了“電-光-電”的隔離，可以在一定程度上打破共模電流的進入，可靠地實現信號的隔離，并且易于構成各種功能狀態。

使利用光電耦合器(簡稱光耦)可將電信號直接切斷，信號通過光實現。光敏隔離由光電耦合裝置實現。光耦器件是將發光器件(如發光二極管)與光敏器件(例如光敏三極管)組合起來，通過光電耦合而形成的電-光-光-電轉換裝置。下面的圖表是常用的三極管光電耦合器原理圖，工作時用光作為傳輸介質來傳輸信息，因此輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。

通常是2 pF，一個光耦可以在很高的頻率隔離頻率的兩端之間產生寄生電容，從而提供良好的隔離。將電訊信號輸入到光電耦合器的輸入端時，發光二極管通過電流發光，在光照射后產生電流，光敏三極管導通；當輸入端無信號時，發光二極管不亮，光敏三極管截止。對數值量而言，當輸入為低電平“0”時，感光三極管截止；當輸入為高電平“1”時，感光三極管的飽和傳導。

     光耦器件具有以上一系列的特點，現已廣泛地應用于電子產品，尤其是測量控制系統，成為接口技術中非常重要的隔離器件。

單片機控制板開發中接口電路中的光電隔離

    微控制器具有多個輸入端口，從遠處的現場設備接收狀態信號，經處理后，由單片機輸出各種控制信號以執行相應的操作。當現場環境很惡劣時，會有很大的噪聲干擾，如果這些干擾與輸入信號一起進入微機系統，會使控制精度下降，造成誤動作。

      在單片機的輸入輸出端，采用光耦接口，實現信號與噪聲的隔離；通過對" A/D轉換器"數字信號輸源的光電隔離，實現了模擬電路與數字電路的相互隔離，起到抑制共模干擾的作用。對線性模擬電路通道，光電耦合器必須具有能進行良好的線性轉換和傳輸控制信號的特性。電力驅動電路的光電隔離。

      在控制系統中，光電隔離廣泛應用于開關量的控制，這些開關量通常通過單片機的 I/O輸出，但 I/O驅動能力有限，一般不足以驅動某些電磁執行器件，需要加接驅動接口電路，以避免受到干擾，必須采取隔離措施。像所在晶閘管的主電路一般為交流強電回路，電壓高、電流大，不易與單片機直接連接，可利用光耦將微機控制信號與晶閘管觸發電路隔離，雙向晶閘管隔離驅動原理圖如下所示：

     在遠程隔離傳送測控系統中，由于測控系統與被測設備和被控設備之間不可避免要進行遠距離傳輸，控制板輸出信號在傳輸過程中很容易受到干擾，造成傳輸信號畸變或失真。此外，相距較遠的設備之間經常存在地線電位差(低頻時)，通過長電纜連接而產生的共模地環電流，對電路形成差模干擾電壓。為了保證長線路傳輸的可靠性，可以采用光耦隔離措施，提高電路系統的抗干擾能力。當傳輸線較長，現場干擾嚴重時，可采用兩級光電耦合器將長線完全"浮置"起來，進行光耦浮置處理，如圖所示：

    在長線路傳輸中的“浮”是去掉長線兩端的公用地線，不僅有效地消除了各線路在公用地線上的電流電流產生的相互串擾，而且還有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題。與此同時，被控制的設備在短路的情況下，也可以保護系統免受破壞。但這種“浮置”僅適用于低頻，在高頻時，“漂浮”會產生嚴重的 EMC問題。許多人認為光耦是截斷干擾路徑最理想的方法，但盡管光耦具有 EMC的上述特性和優點，在應用光耦隔離時，還應注意以下問題：

1、光耦耦合器的輸入和輸出端必須分別采用獨立隔離的電源，如果兩端共用一個電源，則光耦合法。即使是隔離電源，要保證高頻隔離效果，必須保證電源的隔離度與光耦隔離度相當，即兩組獨立電源間的寄生電容與光耦兩端的寄生電容相當，否則，高頻信號會通過電源進入隔離的另一側，使隔離在高頻下失效。事實上，由于電源隔離變壓器初次次之間的寄生電容比較大，在高頻頻率下，電源不能很好地隔離，使整體隔離效果下降。。

2、在使用光電耦合器隔離輸入/輸出通道時，必須隔離所有信號(包括數字量、控制量、狀態)所有信號，使隔離的兩側不存在任何電氣連接，否則這種隔離就毫無意義了。

3、當多路信號隔離時，多路光耦并聯使用，這會降低整個電路的高頻隔離度，因為多路光耦并聯使光耦兩端的總寄生電容增大，從而導致高頻隔離效果下降。

4、因為在高頻情況下，光耦也不能完全隔離，所以在產品設計中，當干擾作用于光耦的一端時，另一端的信號也應被濾波。

光耦濾波的方式有以下兩種方式：

如果是有基極端子的光耦，則在基極子上并聯濾波電容，其中濾波電容值大于100 pF，具體數值取決于光耦的工作頻率，如下圖所示：

對無基極端子的光耦，將其濾波電容放在集電極端子上，其濾波電容也在100 pF以上，具體數值取決于光耦的工作頻率。下面的圖表顯示：

2.2、繼電器隔離
一般電磁繼電器是由鐵芯、線圈、磁鐵、觸簧片等組成。當線圈的兩端加一定的電壓，線圈內就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵在電磁吸引的作用下，克服回彈的拉力吸向鐵芯，從而帶動磁鐵的動觸點(常開觸點)吸合。一旦線圈停止工作，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵將在彈簧反作用力的作用下，回到原來的位置，使其與原來的觸點(常閉觸點)吸合。如此吸合、釋放，達到電路中的導通、切斷的目的。對繼電器的“常開常閉”觸點，可以這樣來區別：繼電器未加電時處于斷開狀態的靜觸點稱為“常開觸點”，處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。

繼電裝置實際上是一種電子控制裝置，具有控制系統(又稱輸入回路)和被控系統(又稱輸出回路)，這一裝置通常用于自動控制電路，是一種用較小電流來控制較大電流的“自動開關”，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。如圖所示，當 A點進入高電平時，晶體三極管 T飽和導通，繼電器 J吸合，當 A點為低電平時， T截止，繼電器 J釋放，完成信號傳遞過程。D為保護二極管。隨著 T由導通變為截止，繼電器的兩端會產生非常高的反電勢，從而繼續維持電流 I。因為這種反電位通常很高，容易引起 T的擊穿。通過加入二極管 D，提供了反電位放電回路，從而保護了三極管 T。

拓展學習：如何設計三極管控制繼電器電路

在應用中繼電器的隔離通常和光電耦合器一起使用，原理圖如下所示：

2.3、共模扼流圈（共模電感）隔離在討論共模干擾時，有一種電感器稱為共模電感(CommonmodeChoke)，也叫共模扼流圈。共模電感不同于光耦隔離、繼電器隔離等，它并非是一種通過磁或光信號傳遞的隔離設備。EMC在共模電感技術中的應用，其主要作用是將共模干擾隔離到共模電感的輸入輸出。下面的圖表顯示了共模電感的原理圖。在圖中， La和 Lb為共模線圈。用相同的線圈繞一圈，匝數和相位相同(繞制反向)。通過這種方法，當電路中的正常電流通過一個共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向磁場來相互抵消，在這個時候，正常信號電流只受到線圈電阻的影響(以及少量由于漏感引起的阻尼)；共模電流通過線圈時，由于共模電流的同向性，線圈中產生同向磁場，從而使線圈的感抗增大，線圈呈現高阻抗，從而產生較強的阻尼效應，從而衰減共模電流，從而達到濾波的目的。共模電感的另一個特點是，為了防止磁飽和，共模電感可以使用一種高磁導率磁芯，而在磁芯較小的條件下，可以獲得比較高的電感，這也是不能用兩個差模電感代替一個共模電感的原因。

共模扼流環通常用于串聯平衡傳輸信號，如差分信號，而不能用于非平衡信號電路。在工業上，RS485、 CAN通信總線的設計，大多采用共模扼流圈進行隔離，工業RS485總線原理如下面所示：