P87LPC767單片機(jī)設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器EMC設(shè)計(jì)

EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作且不對該環(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)備而引起的信號參數(shù)產(chǎn)生瞬時(shí)擾動，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

單片機(jī)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、計(jì)算、顯示、動作判據(jù)、保護(hù)動作的執(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、復(fù)位電路、中斷信號、取樣信號等又容易受到電磁干擾的影響，消除或抑制電磁干擾信號對單片機(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電解電容存儲的能量在電源波動時(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，避免干擾信號對復(fù)位電路的直接影響，只要單片機(jī)工作電源穩(wěn)定，將不會出現(xiàn)誤復(fù)位引起的誤動作。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對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。系統(tǒng)高頻干擾的消除——“采樣監(jiān)測”法

由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號參數(shù)產(chǎn)生瞬時(shí)擾動，產(chǎn)生的高頻干擾信號主要是通過系統(tǒng)進(jìn)線電源進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。檢測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”法對電源上的高頻干擾進(jìn)行監(jiān)測，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)器誤動作。詳細(xì)原理如下：

為保證剩余電流測量的實(shí)時(shí)性，該保護(hù)器采用數(shù)字采樣法測量剩余電流，將剩余電流信號轉(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)行采樣測量。