固態(tài)繼電器的EMC測試方案

電磁兼容（EMC）在電子產(chǎn)品中是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。 本文介紹影響固態(tài)繼電器（SSR）EMC 的主要因素、試驗(yàn)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。同時，提出了測試時注意事項(xiàng)和給出了一組具有實(shí)用價值的結(jié)果。

1 引言

影響固態(tài)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(jié)構(gòu)等等。其中，交流光耦( 光電耦合器) 對EMC 參數(shù)的影響常常被忽略。其主要原因是對它們的應(yīng)用環(huán)境和要求了解較少，同時對EMC 的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備的使用和試驗(yàn)方法理解不夠。因此當(dāng)使用性能較差的器件和不合理的結(jié)構(gòu)時，固態(tài)繼電器的EMC 性能往往達(dá)不到國際上的一些標(biāo)準(zhǔn)( 如CE 等) 。

2 固態(tài)繼電器的EMC 標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容包含電磁輻射(Emission)和電磁抗干擾(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(biāo)準(zhǔn)即1995V EN61000-6-2 進(jìn)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(yīng)按EN50081-2 標(biāo)準(zhǔn)即2001V EN61000-6-4 進(jìn)行測試。本文只對SSR 的電磁抗干擾能力進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的電磁抗干擾能力的測試，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 快速群脈沖擾動和2 k V 浪涌沖擊，其它不做要求;
(2) 要求EMC 做通用標(biāo)準(zhǔn)的電磁抗干擾能力達(dá)到等級3 的測試，即ESD 和Surge 同上，而EFT/B 要求達(dá)到3kV/5kHz;
(3) 特殊要求:ESD 要求6kV/10kV 和EFT/B 為4kV
(4) 其他要求:除電磁抗干擾(Immunity)外，還要求電磁輻射(Emission)測試。

3、影響固態(tài)繼電器EMC 的主要因素

為了找出影響固態(tài)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(nèi)外S S R 方面的主要生產(chǎn)商的電路，得到如下幾種常見的采用交流光耦方案的電路結(jié)構(gòu)。把這些不同的電路結(jié)構(gòu)和相同的電路結(jié)構(gòu)而采用不同的器件組合來進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的功能。圖1 是固態(tài)繼電器最簡單的電路原理圖，圖中A1 是交流光耦，A 2 是雙向可控硅。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(chǔ)上增加了RC 吸收電路和防沖擊電阻R2 。R 2是保護(hù)光耦，抑制在導(dǎo)通瞬間流過光耦的沖擊電流。附加這些器件后，大大改善了SSR 的EMC 特性和浪涌對光耦的沖擊性能。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(shè)計(jì)中。圖中的二極管D1 可防止輸入反極性。由Q1、Q2、R1 及R3 組成恒流電路，保證當(dāng)輸入電壓變化時，光耦A(yù) 1 的電流恒定。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(qiáng)了S S R 的過壓保護(hù)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(jié)構(gòu)進(jìn)行如下試驗(yàn)：

3.2 試驗(yàn)
采用不同的樣品(見下)進(jìn)行以下兩種試驗(yàn):群脈沖試驗(yàn)(見表1)和浪涌試驗(yàn)(見表2)。

試驗(yàn)條件為如下：
A. 輸入電壓:0V 或標(biāo)稱值。負(fù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品／元件型號”)
D ．測試結(jié)果見表1 。

a. 表中“1 ”表示通過，“0 ”表示不通過。判定標(biāo)準(zhǔn)：“1 ”: 燈泡不閃；“0 ”:：燈泡閃爍。
b.表中L：火線；N：零線。

試驗(yàn)不難看出：
(1)對比A 公司產(chǎn)品兩個繼電器，其電路結(jié)構(gòu)、元器件參數(shù)完全相同，僅僅前者多了一個散熱片，但其burst測試只能達(dá)到2kV，而第2 個的burst 測試可以達(dá)到4kV。由此可知，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，E M C 性能最差，見B 公司產(chǎn)品;
(3) 采用不同的光耦，其EMC 性能會有很大的變化，見N0.4 與N0.5 的試驗(yàn)結(jié)果;
(4) 不同的光耦和不同的可控硅組合對EMC 性能也有較大影響;
(5) 選擇適當(dāng)?shù)腞C 組合，也可提高Burst 和Surge抗擾能力。當(dāng)R C 中C 值一定時，固態(tài)繼電器對B u r s t的抗擾能力與R 值成反相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)R 小到一定的值時，這種關(guān)系就不再明顯;
(6) 增加RV 壓敏電阻可大大增強(qiáng)Surge 的抗擾能力。

4 測試方法及注意事項(xiàng)

為了正確獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)必須按要求正確設(shè)計(jì)測試回路，和正確的連線。然后設(shè)定方法和步驟，最后按判定標(biāo)準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)。

4.1 測試電路
圖4 所示為測試電路。對SSR 來說，有信號源(穩(wěn)壓電源)、小于1 米的連線、負(fù)載及有關(guān)儀器;圖5 為電源信號疊加干擾信號的波形。

4.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求及判定要求

表3 為EMC 的抗干擾標(biāo)準(zhǔn)：EN61000-4-4、EN61000-4-5 和EN61000-4-2 的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及要求。對SSR 來說，其工作狀態(tài)要求樣品處于正常關(guān)斷和接通狀態(tài)加入干擾源，觀察樣品是否失效。

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1) 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化直接影響到EMC 性能。如：PCB 或DCB 的排版設(shè)計(jì)，通常需要通過幾次調(diào)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(dá)到最佳狀態(tài)；
(2) 所有測試的光耦中，VISHAY 光耦的性能比較突出，其多數(shù)光耦的Burst 測試可以達(dá)到4kV。其它廠家的光耦較少能達(dá)到4kV(關(guān)于這一點(diǎn)，主要取決于光耦內(nèi)部的結(jié)構(gòu))；
(3) 壓敏電阻RV 對Burst 性能影響不明顯，而對Surge 性能影響極大;因此在有較大浪涌電壓沖擊的場合，應(yīng)加上R V 。R V 的大小要視可控硅的阻斷電壓高低來決定；
(4) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在耐電脈沖群沖擊方面，光耦對繼電器的影響較大(見結(jié)論的第2 點(diǎn))，不同的光耦其耐沖擊性能不一樣;而在耐Surge 時，可控硅對繼電器的影響最大(較差的可控硅如dv/dt 太低等，將被擊穿)；
(5) 對于不同的組合，將有不同的EMC 能力。如果用EMC 較好的光耦配較差的可控硅，將造成較差的E M C抗擾能力。反之可得出同樣結(jié)果；
(6) 不帶RC 時，絕大多數(shù)的光耦的抵抗群脈沖的能力都低于500V;基本上無法達(dá)到CE 的標(biāo)準(zhǔn)。為此，設(shè)計(jì)人員必須改變電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，方可滿足客戶的要求和C E 標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用證明，電容C 的介質(zhì)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(wěn)定參數(shù)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沖的能力的強(qiáng)弱沒有必然的聯(lián)系。但可控硅阻斷電壓的高低與抵抗浪涌電壓的能力的強(qiáng)弱有較大關(guān)系。

6 存在的問題

由于光耦耐脈沖沖擊的電性能不一，S S R 繼電器接入電機(jī)正反轉(zhuǎn)線路，以及干擾電壓的存在( 可用示波器觀看) ，S S R 會誤導(dǎo)通，以至燒毀。過零的繼電器也同樣如此。理論上干擾電壓是反電勢和負(fù)載電壓之和的根號2 倍，但實(shí)際上干擾電壓可達(dá)到負(fù)載電壓的3-5 倍，有時達(dá)到10 倍。原因是電路的分布參數(shù)產(chǎn)生了LC 并聯(lián)諧振。雖然諧振電壓的能量較小，高峰時持續(xù)的時間只有微秒級，但會使SSR 誤導(dǎo)通，即光耦失效。因此，尚待進(jìn)一步探討。