固態繼電器的EMC測試方案

　　電磁兼容(EMC)在電子產品中是一項重要的技術指標。 本文介紹影響固態繼電器(SSR)EMC 的主要因素、試驗方法和判定標準。同時，提出了測試時注意事項和給出了一組具有實用價值的結果。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/271553.htm

　　1 引言

　　影響固態繼電器(SSR)電磁兼容(EMC)的因素是多方面的，諸如器件的選擇與搭配、電路原理、PCB 的布線和結構等等。其中，交流光耦( 光電耦合器) 對EMC 參數的影響常常被忽略。其主要原因是對它們的應用環境和要求了解較少，同時對EMC 的標準，設備的使用和試驗方法理解不夠。因此當使用性能較差的器件和不合理的結構時，固態繼電器的EMC 性能往往達不到國際上的一些標準( 如CE 等) 。

　　2 固態繼電器的EMC 標準

　　電磁兼容包含電磁輻射(Emission)和電磁抗幹擾(Immunity)。對器件來說，歐洲客戶不要求做電磁測試( 個別有特殊要求的客戶除外) ，通常只要求按EN50082-2 標準即1995V EN61000-6-2 進行測試。但最主要是測試ESD(EN61000-4-2);EFT/B(EN61000-4-4)和SURGE(EN61000-4-5)。在此要說明的是，如果客戶要求測試電磁輻射時，應按EN50081-2 標準即2001V EN61000-6-4 進行測試。本文只對SSR 的電磁抗幹擾能力進行測試和歸納。我們在多年與歐洲客戶交流中，他們提出最多的有如下要求：

　　(1) 要求EMC 做通用標準的電磁抗幹擾能力的測試，即上述的ESD、EFT/B 和 Surge。其電壓等級分別為4kV的接觸放電和8kV 的空氣放電、1kV/5kHz 快速群脈衝擾動和2 k V 浪湧衝擊，其它不做要求;

　　(2) 要求EMC 做通用標準的電磁抗幹擾能力達到等級3 的測試，即ESD 和Surge 同上，而EFT/B 要求達到3kV/5kHz;

　　(3) 特殊要求:ESD 要求6kV/10kV 和EFT/B 為4kV

　　(4) 其他要求:除電磁抗幹擾(Immunity)外，還要求電磁輻射(Emission)測試。

　　3、影響固態繼電器EMC 的主要因素

　　為了找出影響固態繼電器EMC 的主要因素和組合的器件，必須了解組成S S R 的電路原理。我們綜合了國內外S S R 方面的主要生產商的電路，得到如下幾種常見的採用交流光耦方案的電路結構。把這些不同的電路結構和相同的電路結構而採用不同的器件組合來進行測試，發現不同的EMC 性能。

　　3.1 電路原理

　　圖1、圖2 和圖3 三種電路都能實現固態繼電器的功能。圖1 是固態繼電器最簡單的電路原理圖，圖中A1 是交流光耦，A 2 是雙向可控矽。常用在小型的S S R ，使用時，用戶往往在外面增加器件來改善性能。圖2 是在圖1 的基礎上增加了RC 吸收電路和防衝擊電阻R2 。R 2是保護光耦，抑制在導通瞬間流過光耦的衝擊電流。附加這些器件後，大大改善了SSR 的EMC 特性和浪湧對光耦的衝擊性能。因此該電路常用在可靠性較高的場合。圖3 是一種特殊的電路，常用在高可靠性和E M C 等級較高的SSR 設計中。圖中的二極體D1 可防止輸入反極性。由Q1、Q2、R1 及R3 組成恆流電路，保證當輸入電壓變化時，光耦A 1 的電流恆定。R C 電路C 1 、R 7 和R 6 的功能與圖2 的相同。該電路還增加了壓敏電阻R V 。R V不僅加強了S S R 的過壓保護能力，而且大大改善了其E M C 性能。

　　

 

　　

 

　　按上述三種不同的電路和不同的結構進行如下試驗：

　　3.2 試驗

　　採用不同的樣品(見下)進行以下兩種試驗:群脈衝試驗(見表1)和浪湧試驗(見表2)。

　　

 

　　試驗條件為如下：

　　A. 輸入電壓:0V 或標稱值。負載:40W 燈泡;

　　B. 《2kV 時，Burst 測試頻率:5kHz;》2kV 時，Burst 測試頻率:2.5kHz。

　　C. 樣品: N0. 1、N0.2 和N0.3 的結構不相同，PCB相同;N0.4 和N0.5 的光耦不相同，其它相同。( 見表1 中的「產品/元件型號」)

　　D .測試結果見表1 。

　　a. 表中「1 」表示通過，「0 」表示不通過。判定標準：「1 」: 燈泡不閃;「0 」:：燈泡閃爍。

　　b.表中L：火線;N：零線。

　　試驗不難看出：

　　(1)對比A 公司產品兩個繼電器，其電路結構、元器件參數完全相同，僅僅前者多了一個散熱片，但其burst測試只能達到2kV，而第2 個的burst 測試可以達到4kV。由此可知，產品內部結構的變化會影響到E M C 性能;

　　(2)RC 會很大程度的影響固體繼電器的EMC 性能;不加R C 電路的結構，E M C 性能最差，見B 公司產品;

　　(3) 採用不同的光耦，其EMC 性能會有很大的變化，見N0.4 與N0.5 的試驗結果;

　　(4) 不同的光耦和不同的可控矽組合對EMC 性能也有較大影響;

　　(5) 選擇適當的RC 組合，也可提高Burst 和Surge抗擾能力。當R C 中C 值一定時，固態繼電器對B u r s t的抗擾能力與R 值成反相關關係，但當R 小到一定的值時，這種關係就不再明顯;

　　(6) 增加RV 壓敏電阻可大大增強Surge 的抗擾能力。

　　4 測試方法及注意事項

　　為了正確獲得試驗數據必須按要求正確設計測試迴路，和正確的連線。然後設定方法和步驟，最後按判定標準獲取數據。

　　4.1 測試電路

　　圖4 所示為測試電路。對SSR 來說，有信號源(穩壓電源)、小於1 米的連線、負載及有關儀器;圖5 為電源信號疊加幹擾信號的波形。

　　

 

　　4.2 試驗標準及要求及判定要求

　　表3 為EMC 的抗幹擾標準：EN61000-4-4、EN61000-4-5 和EN61000-4-2 的試驗標準及要求。對SSR 來說，其工作狀態要求樣品處於正常關斷和接通狀態加入幹擾源，觀察樣品是否失效。

　　5 試驗結論

　　(1) 產品內部結構的變化直接影響到EMC 性能。如：PCB 或DCB 的排版設計，通常需要通過幾次調整，如改變輸入輸出之間的走線位置、元件的擺放位置等，才能達到最佳狀態;

　　(2) 所有測試的光耦中，VISHAY 光耦的性能比較突出，其多數光耦的Burst 測試可以達到4kV。其它廠家的光耦較少能達到4kV(關於這一點，主要取決於光耦內部的結構);

　　(3) 壓敏電阻RV 對Burst 性能影響不明顯，而對Surge 性能影響極大;因此在有較大浪湧電壓衝擊的場合，應加上R V 。R V 的大小要視可控矽的阻斷電壓高低來決定;

　　(4) 從試驗數據可以看出，在耐電脈衝群衝擊方面，光耦對繼電器的影響較大(見結論的第2 點)，不同的光耦其耐衝擊性能不一樣;而在耐Surge 時，可控矽對繼電器的影響最大(較差的可控矽如dv/dt 太低等，將被擊穿);

　　(5) 對於不同的組合，將有不同的EMC 能力。如果用EMC 較好的光耦配較差的可控矽，將造成較差的E M C抗擾能力。反之可得出同樣結果;

　　(6) 不帶RC 時，絕大多數的光耦的抵抗群脈衝的能力都低於500V;基本上無法達到CE 的標準。為此，設計人員必須改變電路結構和元件參數，方可滿足客戶的要求和C E 標準。實際應用證明，電容C 的介質損耗角和其溫度特性對吸收電路影響較大。電阻R 除它的功率和熱穩定參數外，它的阻值對E M C 的性能影響也較大。通常C選用10 — 22nf，而R 通常用10 — 100 歐姆;

　　(7)光耦阻斷電壓的高低與它的抵抗群脈衝的能力的強弱沒有必然的聯繫。但可控矽阻斷電壓的高低與抵抗浪湧電壓的能力的強弱有較大關係。

　　6 存在的問題

　　由於光耦耐脈衝衝擊的電性能不一，S S R 繼電器接入電機正反轉線路，以及幹擾電壓的存在( 可用示波器觀看) ，S S R 會誤導通，以至燒毀。過零的繼電器也同樣如此。理論上幹擾電壓是反電勢和負載電壓之和的根號2 倍，但實際上幹擾電壓可達到負載電壓的3-5 倍，有時達到10 倍。原因是電路的分布參數產生了LC 並聯諧振。雖然諧振電壓的能量較小，高峰時持續的時間只有微秒級，但會使SSR 誤導通，即光耦失效。因此，尚待進一步探討。