无线智能电表电磁兼容设计

2014-03-21张平川王新娜

仪表技术与传感器 2014年6期

张平川，王新娜

(1．河南科技学院信息工程学院，河南新乡　453003；2．漯河市无线智能控制工程技术研究中心，河南漯河　462002；3．漯河职业技术学院电气电子工程系河南漯河　462002)

0　引言

随着智能电表技术的发展，无线智能电表因其无线传输数据等优势越来越得到重视。其主要功能单元包含了GSM/GPRS/Zigbee等射频模块以及开关电源、工频电路、高速数字信号通信接口和各类单片机、DSP、SOC的嵌入式系统等[1-8]。其运行环境中，工频干扰、静电干扰、开关电源干扰、射频辐射干扰、传导耦合干扰、数字信号的谐波干扰等相互交织，影响着智能电表嵌入式系统数据处理质量、通信数据的完整性和计量精度[8-10]。在此情况下，深入分析智能电表中的电磁干扰，针对不同模块的信号特征，在设计实现的各个环节上采取合理的电磁兼容措施，改善测试精度及数据的完整性具有重要意义。

1　典型无线智能电表方案及其电磁干扰分析

1．1无线智能电表的典型方案

无线智能电表的一个典型方案框图如图1所示。图1的方案中，控制内核采用DSP+MCU的双核嵌入式系统CC2530结构。

图1　典型无线智能电表方框图

该芯片内嵌有增强型的双核，一个是负责控制的8051MCU，另一个是专门DSP运算的AESl28协处理器，存储器包括256 KB Flash ROM、8 KB RAM、8路的12位ADC、USART接口和 21个可编程的I/O口，内嵌1个2．4 GHz的射频收发模块，符合IEEE 802．15．4协议且其输出功率可在-22～3 dBm间调节；具有强大的DMA功能和数字化的RSSI/LQI支持，1个符合IEEE 802．15．4规范的MAC计时器，可硬件支持远程网络CSMA/CA功能，1个常规的16位计时器和2个8位计时器，CC2530的电源电压范围为2．0～3．6 V，适应不同的解决方案。

系统可进行手持终端抄表、RS-485远程抄表、蓝牙或Zigbee无线抄表等。

1．2系统主要电磁干扰EMI及其特征

电磁干扰EMI一般由电子设备内部电压电流的快速变化而产生，这些干扰可以以电流的形式沿载流导体(电源线、PCB铜箔、电缆)传播形成传导干扰，或以电磁波的形式通过空间传播形成辐射干扰。无线智能电表系统中的输入工频电源线、开关电源、无线模块等是主要的干扰源[8，10]。采用安捷伦频谱仪测试到的智能电表干扰波形如图2所示。

图2　无线智能电表中的干扰波形

1．2．1开关电源中的干扰

工频电源中，会通过电力线传入大量传导类电磁干扰(EMI)噪声进入开关电源系统，根据传导噪声电流流经途径不同，可将噪声分为共模噪声(uCM)和差模噪声(uDM)。

(1)差模(或串模)干扰是存在于任2条供电线或输出线之间的RF噪声分量。在离线开关电源中，这通常是交流供电线的火线和中线或输出线的正极和负极2条线之间的干扰，干扰电压与供电线输入或输出电压串联而起作用。

(2)共模干扰是存在于任何或全部供电线或输出线与公共地平面(机壳、箱或接地返回线)之间的射频噪声分量的干扰。

uDM=uL-uN

(1)

(2)

式中：uL、uN分别为电源L线、N线上的噪声电压。

另外，常用的反激式变换器中，由于开关管工作频率较高，存在着较强的辐射干扰(包括电磁干扰和电场干扰)，其强弱与回路电流I、电流回路所包围的面积S及电流流动频率f的平方三者之间的乘积成正比。开关频率的提高，电路中的di/dt、du/dt增大，导致电磁干扰EMI增大。且开关电源一般有3个高di/dt的回路，一是电源输入端的直流滤波电容器、开关脉冲变压器初级绕组和开关管构成的初级回路；另一路是输出整流二极管、输出滤波电容器、开关脉冲变压器次级绕组构成的次级回路。

1．2．2无线模块中的射频干扰

无线传输是智能电表性能的新进展，由于无线传输频率一般在30 MHz以上，会产生射频电场干扰，并通过传导耦合和辐射耦合的形式产生作用[11]。辐射干扰的基本途径如图3所示。

图3　辐射干扰的基本途径

高频电路的辐射以及射频单元的发射，对电路产生电磁波感应噪声或者使非线性元件产生低频成分的噪声。

2　无线智能电表的EMC设计

科学合理的设计可以有效减小EMI的影响，保证智能电表计量数据的精度及通信信号的完整性。根据无线智能电表EMI的主要来源，着重从以下几个方面进行EMC设计。设计综合采用的硬件与软件相结合的抗干扰方案，其中硬件技术有滤波技术、屏蔽技术、隔离技术、去耦技术和接地技术等；相应的软件技术有中值滤波及看门狗等[8，12]。

2．1开关电源EMC

特别需注意的是电感和变压器的磁路要闭合。例如，用环形或无缝磁芯，环形铁粉芯适合于存储磁能的场合，若在磁环上开缝，则需一个完全短路环来减小寄生泄漏磁场。

初级开关噪声会通过隔离变压器的线圈匝间电容传到次级，在次级引发难以滤除的共模噪声电流，而且由于流过路径较长，继而引起发射现象。为此，将次级地用小电容连接到初级电源线上，为这些共模电流提供一条返回通道，但要注意安全，不能超出安全标准要求的泄漏地电流总和，这个电容也有利于次级滤波器更好地工作。

线圈匝间屏蔽(隔离变压器内)可以更有效地抑制次级上感应的初级开关噪声。靠近初级线圈的屏蔽通常连到一次电源线上，靠近次级线圈的屏蔽经常连到公共输出地，中间屏蔽体一般连到机壳。在样机阶段最好反复实验以找到线圈匝间屏蔽的最好的连接方式。

滤波可以有效地消除传导电磁型干扰，防止电磁干扰通过载流导体传播。采用滤波方法不仅可以防止外来的传导电磁干扰通过载流导体进入某一工作区域，还可以限制传导型电磁干扰通过载流导体越出某特定区域。

对开关电源采取以下措施，可以进一步改善开关电源的EMI技术性能指标。

(1)对开关电源的工频市电进入一侧增加一级线路滤波电感线圈。

(2)采用对地分布电容小的功率MOSFET开关管。

(3)对开关电源中有源功率因数校正升电压整流二极管采用软恢复特性的二极管，并在二极管的引脚上串接铁氧体磁珠。在电源输出电压引线及滤波电容的引线上再串接1个铁氧体磁珠。

(4)在功率MOSFET开关管的源-漏极之间加装RC吸收电路，并且在电阻、电容的引脚上串接小铁氧体磁珠，这些小铁氧体磁珠可以在RC吸收电路的电容充电过程中，在电流的峰值期间吸收有关高频能量。

在电缆上缠绕或套用铁氧体磁环也能起到一定的滤波吸收效果。电源线滤波和信号线滤波在电磁兼容设计中也非常重要。一般采用高频滤波效果好、安装简单的滤波连接器。在设计或使用信号线滤波器时，滤波器的截止频率应高于电缆上要传输的信号频率。

滤波器的设计应注意以下几点：

(1)传导干扰处理的方法主要是采用低通滤波，在1 MHz以上时，传导辐射问题通常是由辐射发射的耦合而引起的，应综合运用抑制传导发射和辐射发射的技术措施，如屏蔽、去耦和滤波。

(2)滤波电路的衰减性能与辐射源和负载的阻抗有很大关系，滤波电路的阻抗失配越大，滤波器电磁干扰的衰减效果越好。大多数情况下，电源输入表现为低阻抗，电源滤波器的输入端应为高阻抗。

(3)加共模与差模干扰抑制电容和加共模与差模干扰抑制电感线圈，调整共模与差模干扰抑制电容参数和共模与差模干扰抑制电感线圈的参数可以调节其共模和差模干扰抑制特性。滤波器的泄漏电流是指相线和中线与外壳地之间流过的电流。事实上，滤波器的泄漏电流主要取决于连接在相线与地和中线与地之间的共模电容。共模电容的容量越大，共模阻抗越小，共模干扰抑制效果越好，而滤波器的泄漏电流越大，但是安全标准规定泄漏电流不能过大。

(4)电源滤波器的安装位置应靠近电源线的入口位置，电源滤波器如果能做成和接口一体化更好。对于金属屏蔽机箱，选用独立电源屏蔽滤波器；安装在电源线入口处。并确保滤波器外壳与设备机箱(地)有良好的电接触，这样的滤波效果最好。例如，在开关电源的交流供电输入回路做一些修改，可以改善开关电源的EMI特性。

2．2设计印制电路板PCB的关键

PCB是各类干扰的汇聚场所，必须精心设计无线智能电表的PCB，其关键原则有[13-14]：

(1)使用小型化器件和多层印制电路板，多层印制电路板可以紧缩布线空间，高频特性好，容易实现EMC设计。在多层电路板中，应把电源面和地平面分开。减少电路辐射干扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之一就是减小高频干扰源的电流频率，即减小干扰电磁波的频率。环路电流频率越高，引起的EMC辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率的平方成正比增大。

(2)尽量减小高速信号线及时钟信号线所构成PCB的环路面积，连线要尽可能短，并使信号线紧邻地回路。在高、中、低速逻辑电路同时应用时，高速电路应设计在电路板的入口处。信号线和信号回路线应尽可能接近。圆弧布线，不画突变的电路布线。高速输入/输出信号线应注意电路阻抗匹配，以减小和消除信号反射。滤波器的输入/输出线应拉开距离，不要平行走线，以免影响滤波效果。

(3)PCB分层原理与布置印制电路、布置排线的原理一样，元件面下面为地平面，关键电源平面与其对应的地平面相邻，相邻层的关键信号不跨区，所有的信号层特别是高速信号层、时钟信号层应与地平面相邻，尽量避免两信号层相邻。PCB层数的选择应考虑到关键信号的屏蔽和隔离要求，应先确定所需印制电路板层数，然后在考虑印制电路板成本的前提下，增加地平面和电源层是PCB的EMC设计最好的措施之一。

(4)PCB布线设计时顺序考虑。电源和地/时钟线/信号线的布线应该短、直、粗、均匀，布线不要有直角和突变，不应有“之”字形，用圆角代替尖锐走线，尽可能加宽电源线和地线的布线。使用较大的地平面以减小地线阻抗，电源线和地线应相互接近，模拟电路和数字电路的布线应分开布线，功率电路布线和控制电路的布线应分开。

(5)个别电源层、地层不能作为一个连续的平面时，采用多网孔连接形成地格蜂窝网，有效减小电流环路面积，减小公共阻抗，加大信号层与地层之间的分布电容。

(6)流经电感的高频信号电流应采用最小路径。当频率较高时，一般引线电抗大于电阻，引线的高频信号就是电感，串联电感会引起电磁辐射。电磁辐射大多是由于被测设备上的高频电流环路产生的，最恶劣的情况就是开路天线形式。对应处理方法就是减少、减短引线长度，减小高频电流回路面积，尽量消除任何非正常工作需要的天线，如不连续的布线或有天线效应的元器件过长的插脚等。为避免地线长度过长(接近γ/4)，可以采用多点就近接地的布线方法，接地线的高频阻抗要小。减少辐射干扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要方法之一，就是尽量减小高频电流环路面积S．布线应以减小电缆的天线效应及减小偶极子天线效应为原则，跨线、输入/输出信号线布线采用屏蔽性能好的线缆，内导线采用多股双绞线，可以使空间场相互抵消，屏蔽层可作为地线。

(7)集成电路芯片之间使用低阻抗地连接(地平面)，不同集成电路芯片的供电引脚之间的阻抗应尽量小，集成电路芯片的供电引脚与地之间应加接高频旁路电容。

(8)走线尽可能远离干扰源，布线考虑铁氧体材料的使用，预留磁珠和贴片滤波器的位置，以备按需加减。信号输入电路加RC去耦滤波电路，消除由于长线而引入的信号传输干扰。

2．3电路的隔离

在开关电源中，通过隔离元器件可以把噪声干扰的传播路径切断，从而达到抑制噪声干扰的目的。电路的隔离主要有数字电路的隔离、模拟电路的隔离、数模之间的隔离。对开关电源的模拟部分的隔离，一般采用线性隔离器(如光电耦合器)隔离直流信号，一般可采用变压器隔离交流信号，可采用光电耦合器或脉冲变压器隔离数字电路及数据通信数字量输入/输出。

2．4射频等干扰的屏蔽

屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰(即辐射电磁干扰)。采用屏蔽的目的有2个：限制辐射电磁能量越出某一区域；防止外来的辐射电磁能量进入某一区域。屏蔽按工作机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。在进行屏蔽体的设计时，主要遵循以下原则：

(1)首先确定电磁环境，包括电磁场的类型、强度、频率及屏蔽体至辐射源的距离等因素。

(2)根据电磁屏蔽的要求及电磁场的性质，适当选择电磁屏蔽材料的电导率、磁导率和厚度。

(3)确定接收机的敏感度及对屏蔽的要求。

(4)在确定电磁屏蔽材料后即可进行电磁屏蔽结构的设计，对电场屏蔽主要选择高电导率材料(如铜)；而对磁场屏蔽，特别是低频磁场屏蔽，主要选择厚度适当的高磁导率材料，以满足电磁屏蔽的有关要求。

(5)当屏蔽室需要透明时，可采用金属网屏蔽，金属网屏蔽的效果比金属实屏蔽体差，一般不采用双层金属网屏蔽。

(6)如果单层电磁屏蔽不能满足屏蔽要求，可以采用双层以上的电磁屏蔽，以获得更好的屏蔽效果。

2．5软件EMC技术

使用软件抗干扰技术也是抑制干扰的有效方法。其中，在单片机程序上加入中值滤波程序等。中值滤波的基本步骤是：把数据序列中某点的值，用该点相邻点数值的中值来替代相应数据序列，先把其按大小排列为xi1≤xi2≤…≤xin，则该序列的中值y为：

(3)

式中，如果把一个点的数值邻域作为窗口，在一维情况下，中值滤波器是一个含有奇数个数据的滑动窗口。

另外，软件抗干扰还可以采用当程序运行混乱时使程序重入正常的方法。

2．5．1指令冗余

当CPU受干扰出现错误时，程序便离开正常执行顺序而“乱飞”到某错误的地址执行指令。为此，通常是在多字节指令(如2字节或3字节指令)后插入若干个NOP指令。由此可避免后续的指令被当成操作数的差错，使程序自动进入正常顺序。此外，对程序流向起重要作用的指令(如中断返回RETI、长调用LCALL、长跳转LJMP等指令)前面设计2条空操作指令，也可防止程序乱飞，确保这些重要指令的执行。

2．5．2拦截技术

所谓拦截，即指将偏离正常执行顺序的程序引向指定位置。进行“跑飞”处理时，可设置软件陷阱(用来将程序复位到入口地址0000H)来阻止程序“乱飞”。因此，先要设计好拦截陷阱程序指令，其次要将陷阱设置在恰当的程序段，以便将程序引向正常入口地址，然后再处理查错。软件陷阱通常在ROM中非程序区段加入以下指令来实现：

NOP；空操作

LJMP 0000H；长跳转到入口地址0000H

2．5．3软件“watchdog看门狗”技术

当程序“跑飞”到一个临时构成的死循环中时，软件陷阱也就无能为力了，这时系统将完全失效，这时可以使用软件看门狗技术。软件“看门狗”是一个定时程序，工作时，看门狗定时器的工作周期略大于CPU主程序一个正常循环运行的时间，而在主程序运行过程中，需要对定时器复位，也就是执行一次定时器时间常数刷新。这样，当程序乱飞时，将不能正常定时刷新定时器而导致定时中断，利用这个定时器中断服务子程序实现系统自动复位。

3　系统试验

验证EMC效果的试验系统如图4所示，试验结果见表1。

图4　试验系统框图

主要试验条件有：6．5 kV冲击1/20 μs脉宽电压；4 kV 1/20 μs脉冲开路电压/短路电流；6 kV持续30 s下快速瞬时多脉冲实验；8 kV静电10次(每次间隔60 s)下均无无击穿、飞弧现象；2．4 GHz射频通信下数据误码率正常。电流大小选择值依次分别为0．1Ib、0．5Ib、Ib、Imax．

表1　智能电表参数测试相对误差

注：Ib为测试标准电流，一般为15 A

从表1中可以看出各个参数的最大误差值。说明了所设计的电表准确度等级完全达到0．2级精度，满足了DL/T645—1997、GB/T17215—1998、DL/T614—1997标准要求。

4　结束语

综合考虑了无线智能电表中的EMI，对其来自开关电源、射频单元及PCB布局等环节的主要干扰，采取了综合性的EMC设计技术，主要包括滤波技术、屏蔽技术、接地技术、看门狗技术、隔离技术以及中值滤波算法等。系统经过高电压脉冲干扰等多参数实际测试，在实验条件下没有击穿与飞弧现象，有效降低了EMI影响，系统精度达到了0．2级的DL/T645-1997、GB/T17215-1998、DL/T614-1997标准，有利于无线智能的快速普及推广，对具有复杂电磁环境的智能仪器开发具有重要意义。

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