1, 继续对Henry W Ott 写的书《电磁兼容工程》记录了阅读笔记。

强烈推荐英文原版，可能更容易读懂。

2.这个博客是这本书的阅读笔记。它不是书的直接翻译。它主要记录你在阅读这本书时对这本书的理解。目的是加深对EMC理解，以后可以经常看，以免忘记。

3， 因为阅读过程是跳跃的，不会从书的第一页到最后一页，所以记录过程不会从第一章开始。这个笔记从第14章开始。

概念说明：

Immunity本意是免疫，免疫，但在EMC中， 就我个人而言，我认为它的含义被翻译成抵抗力，抗干扰能力更容易理解。设备的免疫力是它对外部干扰的抵抗力。这里强调一下Immunity与外部相比。它主要包括两个方面：

1， RF immunity也就是说，抗射频信号干扰的能力。例如，对于手机，外部设备产生的干扰信号，如广播电台和电视台的节目信号，是外部干扰信号。

2，Transient Immunity，即抗外部瞬态激励信号干扰的能力。

以下是笔记：

电磁兼容工程（Electromagnetic compatibility engineering Herry Ott ）读书笔记-- 章14 抗射频和瞬态信号干扰能力（RF and Transien）_dylanZheng的博客-CSDN博客

自1996年以来，由于欧盟对电子产品进行了抗辐射和抗干扰试验的标准化，电磁抗干扰问题越来越受到关注。同时，如章12所述，数字电路是辐射的主要原因。低电平模拟电路需要特别注意，因为它很容易受到射频信号的干扰。但数字电路比射频干扰更容易受到高压瞬态信号的影响，如静电放电ESD的干扰。

Immunity在电磁干扰的情况下，一种产品可以在没有任何性能下降的情况下正常工作。

本章主要讲述了如何设计电子系统来保证可靠的抗干扰能力。主要涉及对射频噪声信号的抗干扰（RF immunity），抗干扰瞬态高压信号（Transient Immunity）以及对电源干扰的抗干扰（power-line disturbance immunity。当然，并非所有设备都需要相同的抗干扰性能。不同的产品会有不同的要求。在选择产品抗干扰能力时，需要考虑产品的使用、产品故障的后果、用户的期望、产品使用的电磁环境及相关行业法规。

即使产品没有抗干扰要求，根据一定的抗干扰要求设计也可以降低功能故障的概率，提高产品使用过程中的用户满意度。因此，所有电子产品都需要根据一定的抗干扰要求进行设计。

14.1 性能标准

在对抗干扰能力的要求和测试说明之前，需要定义什么是产品的功能失效（failure）。如果一个产品在抗干扰测试中损坏或不安全，那么功能故障。我们都同意这一点。然而，除了这两点，还有许多其他模糊的情况。比如一台电视机在测试测试时，它没有帧同步，屏幕上下滚动几次。这种情况能被认定为功能故障吗？不同的人可能有不同的看法。

幸运的是，欧盟在抗干扰标准中定义了三种功能失效。它们的定义如下（EN 61000-6-1， 2007）：

标准A：在在测试过程中和测试后，所有设备都可以继续正常工作。不允许性能下降或功能缺失。

标准B：在测试之后，该设备可以继续正常工作。测试结束后，不允许性能下降或缺乏功能。但在再测试过程中，允许性能下降。但是，设备的状态和存储的数据不能改变。

标准C：可允许暂时性功能缺失。前提是功能可以通过控制自动恢复或恢复。(按:最常见的情况是设备硬复位或软复位)

应用标准ARF在某些情况下，标准B用于瞬态高压和电源干扰。标准C主要用于一些严重的系统断电或断电。

14.2 射频信号抗干扰能力（RF immunity）

射频干扰可能是所有电子设备中非常严重的问题。抗射频信号干扰的标准是控制或限制电子产品容易被电磁场干扰的能力。例如，高于50的高频频段MHz，电磁场很容易直接耦合到设备或电缆中。低频段主要低于50MHz由于大小不够大，大多数设备不容易接收电磁场的能量。电磁场的能量主要通过电缆耦合进入设备。当电缆长度为电磁波长的1/4或一半时，它将成为一个高效的接收天线。对于50MHz其波长约为3m。

将3m将长电缆放入统一标准化的电磁场进行测试比较困难，因为它需要一个大的测试室和昂贵的测试设备。因此，类似于第13章讨论的导体辐射，具体的抗射频干扰性能测试是通过在电磁场中注入电压来模拟相应的干扰电压。因此，它们通常被称为传导抗干扰测试（conducted immunity test）本质上是抗射频辐射测试。

消费品传导射频抗干扰标准往往要求设备在以下条件下不降低性能(标准)A）：一个3V射频信号(住宅/消费品)或10V射频信号(对工业设备)80%调制（AM），以共模的形式耦合进入交流（AC）电源线缆（EN 61000-6-1 2007）。其中AM范围调制的频率为150KHz到80MHz。

当然，如果信号电缆，直流DC电源线以及地导线（ground conductors）等长超过3m，他们还需要通过上述测试。上述测试中使用的电压为共模电压。对于非屏蔽电缆，该电压通过具有150欧姆共模阻抗的电路耦合到电缆中。(150欧姆由50欧姆的激励器内阻和100乘以n的电阻组成， n是电缆中包含的导线数量)。对于屏蔽电缆，上述电压通过具有150欧姆电阻的电路直接耦合到屏蔽电缆中。（其中150欧姆是由50欧姆的激励器内阻外加一个100欧姆的电阻组成）。

射频抗干扰标准通常要求在以下条件下降低设备的性能（标准）A）：

3.一个设备V/m电场(住宅/消费品)(注意这里只是电场，没有磁场)或10v/m电场(工业设备)80%调制（AM），调制频率为80M到1000MHz。

对于自动控制或军工级产品，电场强度将达到200v/m。

14.2.1 射频环境

距离发射器为d的位置，其电场强度很容易计算。假设有一个小的射频信号发射器，距离d位置的功率密度p等于有效的辐射功率（ERP）球体表面积除以d为半径：

功率密度的单位是 瓦特/平方米也是电场强度E和磁场强度H的乘积。E/H等于120(370欧姆)。 p=EH=E*E/(120??)

带入上式，可以得到：

其中ERP发射器的功率乘以天线增益，天线增益可以表示为纯值（numeric）。对于小型手持式发射器，其天线增益被认为是统一的。对于双极天线，其增益等于2.14dB或者发射器1.28倍。

公式14-2适用于FM对于信号发射器AM考虑到80%的调制峰值，公式14-2乘以1.6。

例如一个50KW的FM电台将在距离1.6km产生0的地方.77v/m然而，电场是6000mW的手机会在1m的位置产生一个4.24v/m的电场。因此对于一个电子设备来说，往往是一个近距离的低功耗设备比一个远距离的大功率发射器，会产生更大的威胁。

通过对加拿大射频信号环境的研究，表明在郊区和市区存在1到20V/m不等的电场，它们的频率从10K到10GHz.

数字电路往往不容易受到射频信号的干扰，除非是电场强度高于10v/m. 然而低电平的模拟电路，包括电压转换器，经常很容易受到1到10v/m信号的干扰。

14.2.2音频检波

对射频信号敏感的电路通常会伴随有音频检波（audio rectification）的发生。音频检波就是通过一个低频电路中的某个非线性器件，无意检测到高频射频信号。当一个经过调制的射频信号遇到一个非线性器件（如一个双极性晶体管的基级到发射级的PN结），这个信号会被检测出，然后调制信号会出现在电路中。当射频信号没有调制时，会产生一个直流偏置电压，如果信号经过调制，那么电路会产生一个对应调制频率的AC电压。这个直流偏置电压，以及调制信号的频率往往处于低频模拟信号电路的带宽之内，因此会产生干扰。

音频检波会发生在音频视频信号电路中，例如立体声系统，电话机，微型电话，放大器，电视机等等，以及一些低频负反馈控制系统，如电压转换器，电源电路，工业过程控制系统，温度和压力传感器等，甚至偶尔会进入数字电路中。

音频检波发生的2个前提条件是：

1， 射频信号进入电路中；

2，射频信号被检测到

缺少任何一个条件，音频检波将不会发生。

射频信号往往通过线缆进入系统，某些特别高的频率可能会直接进入电路本身。

大多数情况，射频信号被第一个碰到的PN结检测到。偶尔它也会被糟糕的焊点或者不好的地线连接造成的电路具有检波特性，从而被检测到。

需要非常小心低电平模拟电路，例如放大器或者线性电压转换电路。

14.2.3 减少射频干扰的技术

对于辐射射频抗干扰和传导射频抗干扰，可以使用相同的技术处理，因为他们都是电磁波耦合的方式进入电路的。

图14-1 画出了一个典型的电路，该电路需要被保护免受射频信号的干扰。它由一个传感器，一对非屏蔽线缆和一个印制电路板组成。通常是线缆接收到外部的射频干扰信号，干扰信号包含有共模和差模信号。而传感器和PCB电路再检测出射频信号。

可以通过使用双绞线（对差模信号），共模遏制圈（choke）（对共模信号）或者屏蔽线（对共模差模信号）来抑制线缆接收到外部的射频信号。对于大部分设备来说，最敏感的信号频率是线缆本身的共振频率。通过在传感器和PCB端放置适当的滤波器可以将射频信号旁路掉，从而消除干扰的问题。

减少射频干扰的技术可以应用于：

设备层

线缆

外壳。

14.2.3.1 设备层的保护技术

最关键的电路是那些工作在低电平或者很靠近输入输出线缆端的电路。

要保证所有的关键电路中的信号回路尽可能的小，特别是输入电路和低电压放大器的反馈回路。敏感IC器件的输入端需要添加射频滤波电路来保护它不受干扰。如图14-2，可以在敏感电路的输入点添加一个由串行阻抗（磁珠，电阻或者电感）和分流电容构成的低通RC滤波电路，来将射频信号电流分流掉，从而避免产生音频检波的问题。

一个有效的抗干扰滤波电路由一个50到100欧姆的串行器件和一个只有几个欧姆或者更小阻抗的分流器件（通常是电容）组成。具体的数值可以根据相关的频率来确定。

如果电路允许损失一些直流电压，那么电阻可以用作串行器件。如果频率高于30MHz，那么使用磁珠会比较好，而且没有直流电压的损耗。

如果频率低于10MHz，可能需要使用电感，因为串行阻抗需要50到100欧姆（按：因为频率越低，磁珠的阻抗越小，不容易满足阻抗要求）。

假设串行阻抗是62.8欧，采用这个阻抗值(𝜋的倍数)是因为它比较方便计算电感值。那么它的阻抗等于：

即 fL=10

因此选择一个电感，使得它的值与频率的乘积等于10，例如在1MHz时10uH或者10MHz时1uH。

一些情况下，只有一个分流电容，配合导线或者PCB走线上的电感值就足够有效滤除射频信号。

表格14-1列举了一些理想电容在不同频率下的阻抗值：

从频率80M到1000MHz（这是欧盟对于射频信号抗干扰测试要求的频段）可以选取1000pF的电容作为射频信号滤波电容，它对应的阻抗从0.16到1.99欧姆。对于更低频率的传导干扰，需要更大的电容。

因为分流电容需要几个欧姆或者更小的阻抗，现在假定它是1.6欧姆，那么电容的阻抗：

即 fC=0.1

因此选择的电容需要保证它的容值和频率的乘积为0.1，例如100MHz时1000pF

综上，考虑在一个信号线中插入一个L型滤波器，该滤波器具有低输出阻抗和高负载（输入）阻抗。如果它的串行阻抗是62.8欧姆，分流阻抗1.6欧姆，它将会造成32dB的射频信号衰减。

为了能够有效滤波，分流电容两端的走线必须非常短，尽可能为0. 这是非常重要的，怎么强调都不过分。很多滤波器的不足之处在于分流电容有串行电感。这些电感来自于PCB走线和电容自身内部电感。

对于双极性晶体管放大器，射频信号检波往往发生在基级和发射极之间的PN结。图14-3显示如何添加一个RC滤波器到基级和发射极之间。

图14-3到14-5，都是使用电阻符号来代替串行器件，他们可以是磁珠或者电感，如前文所述。

在大部分的集成电路的放大器中，输入端的晶体管基级和发射极是没有直接引出作为IC的管脚的。这种情况下射频滤波器必须放置在IC的输入信号端来防止射频信号进入IC内部。图14-4展示了滤波电路应用于运算放大器的例子

而有一些IC器件，如AD620仪器放大器，它的输入晶体管基级和发射极可以通过管脚直接访问，因此滤波电路可以直接放置在基级和发射极的PN结上，如图14-5所示

如图14-1所示的一个传感器电路，它包含有非线性器件（晶体管，二极管，固态放大器等等），同样需要保护电路来防止音频检波问题的发生。传感器的连接线相当于接收天线，传感器电路中的PN结相当于检波器。因此同时在传感器端和PCB端需要射频滤波器来防止音频检波问题的发生。

图14-6是一个滤波电路应用于一个光敏晶体管的例子，例子中串行器件使用的是磁珠。

一个多层PCB，带有电源层和地层，相比于单层或者双层PCB，会大大提高射频信号的抗干扰性能。这是因为通过增加电源层和地层作为参考层，它降低了信号对参考面的阻抗以及更小的信号回路面积。对电源和地之间，甚至是在低频模拟信号电路内，高频电源信号能够有效去耦，以及它们之间足够多的大电容（bulk canpacitance），都是非常有助于提高抗干扰能力的。

对于直接感应电场噪声而言，一个导体板可以放置在单层或者双层PCB板之下。这样做和PCB内部添加一个地层的效果类似。

电路的地信号需要有一个低阻抗的连接方式到IO端口附近的外壳地（chassis）来将射频噪声分流导入到外壳地。高频信号电路板可能需要额外添加电路和外壳地的连接点。但是这些连接点是除了IO附近以外的连接点，不是用它们替换IO附近的连接点。

3端的电压变换器也是容易受到射频信号干扰的。可以在它的输入和输出端添加射频滤波电容来增强它的抗干扰能力。一般一个1000pF的电容就足够了。如果能够添加一个小磁珠将会提高滤波器的性能。这些添加的电容是额外的，电压转换器本身还要求要有一些比较大容值的电容来实现它的功能或者提高稳定性。射频滤波电容需要直接连接到转换器的公共管脚上，如图14-7所示

14.2.3.2 线缆上的抑制干扰技术

大部分情况下，射频信号是被线缆接收的。因此，将线缆接收到的信号最小化，是能够提高抗干扰能力的一个很重要的方向。当使用屏蔽线缆时，选择这样的线缆：

拥有高质量的，覆盖率比较高的编织网（braid），

有多层编织网结构的的，

内部有箔纸的编织网，同时箔纸和线缆有很好端接的，

不要使用马尾辫型（pigtail）或者引流线（drain wires）。

不要使用缠绕屏蔽线（spiral-shielded）。

尽管带有金属后盖的线缆连接器，可以和外壳360度互联，是一种理想的屏蔽线终端连接方式，但是其他的，不那么贵的连接方式也是可用的。如图14-8，是一种可能的高效线缆连接方式， 它通过一个夹具将金属线缆和外壳互联。其中线缆夹具越靠近机箱越好。

将屏蔽线缆看做是屏蔽外壳的延伸。因此，屏蔽的有效性与线缆和外壳的终端连接方式息息相关。尽量将线缆和外壳360互联而不是将它连接到电路的信号地。

如果不使用屏蔽线，那么需要使用双绞线，同时在线缆接入或者接出的地方添加滤波器。这些滤波器是额外的，是除了上文中讲到的敏感器件滤波器之外的滤波器。将滤波器尽量靠近IO接口，同时将IO口的滤波器的分流电容连接到外壳而不是PCB中的信号地。可以在外壳外部的线缆使用共模扼流圈来帮助提高抵抗力。

为了得到更好的抗干扰性能，排线或者软PCB连接线需要包含多个数量的接地信号，这些接地信号分散在线缆中。最好能够给排线或者软PCB线提供一个地平面。

在线缆和连接器中提供多个地信号的连接能够减少回路面积和减少线缆两端地平面的电势差。理想状态下，信号和地的比例是1:1，但是2:1的情况下性能也很好，这是因为它给每一个信号都提供了一个相邻的地回路。而一个3:1的比例是一个很好的设计折中方案，它提供了一定数量的地信号连接，同时也减低了总的连接器管脚数。线缆中，信号的频率越高，需要的地连接数量越多。在任何情况下，信号和地连接数量的比值不能超过5:1

设备内部的线缆也会产生干扰问题。使用铁氧共模遏制圈，将线缆布局在靠近外壳的地方，远离外壳的缝隙或者孔径等等方法能够有效提高抗干扰能力。如果内部线缆使用屏蔽线，最好是在线缆的两端都接外壳地。如果线缆很短，可以在一端接地，但是不能使用马尾辫形式。

对于非屏蔽的外壳，可以将线缆滤波器连接到一个image Plane。如果没有其他方式选择，线缆滤波器可以连接到信号地平面，但是这种方式没有连接到外壳地或者image plane的方式好。

14.2.3.3 外壳的抑制干扰技术

高频率的射频信号电磁场可以直接耦合进入设备内部的电路货或者内部线缆中。只要对外壳的孔径进行适当的处理，那么一层薄薄的由铝，铜或者是钢铁组成的屏蔽外壳能够有效的阻值这种耦合。唯一的特例是低频磁场。对于低频磁场（小于500KHz）而言，需要提供更厚的钢铁屏蔽外壳。例如，对一个50KHz的开关电源，不能使用铝外壳。

如果外壳的孔径（缝隙，散热孔等等）限制不超过波长的1/20，那么通过孔径的信号会有20dB的信号衰减。在某些情况下，外壳的孔径可能会被限制到更小的尺寸。表格14-2列举出了从10M到5G不同频率下1/20波长的大小：

因为大部分射频抗干扰标准要求的最高频率是1000MHz，因此最大孔径尺寸为1.5cm可以被认为是一个很好的设计准则。

需要注意的是，这里讨论的尺寸大小是最大线性尺寸（maximum linear dimension）（按，可以理解为孔径最长直径），不是孔径的面积大小。因此一个长细条开口将会让更多的噪声进入系统，而一个面积更大但是直径更小的散热孔通过的射频噪声会更少。

为了保证外壳的缝隙具有很好的导电特性，必须在机械设计上处理好缝隙连接处的表面，从而保证有很好的导电特性，同时还需要在外壳耦合的缝隙表面之间保证有足够的压力。该压力需要>100 psi从而使得缝隙连接处表面之间有很低的阻抗。

任何没有经过滤波的线缆通过一个屏蔽的设备，都会携带射频信号噪声，这个噪声可以是从屏蔽设备的外部引入到设备内部，或者相反，将屏蔽设备内部的噪声传到到外部，从而使得屏蔽的效果大打折扣。所有连接到屏蔽设备的线缆都需要添加滤波器或者使用屏蔽线，避免将一个设备的噪声传送到另一个设备中去。

数字电路一般不容易被射频信号干扰，除非射频信号的场强大于10v/m.如果发现数字电路被干扰，那么它的应对措施和上面针对模拟电路讨论的抗干扰情况类似。将射频信号去耦处理，或者是在敏感电路的输入点添加滤波器。数字电路中的干扰问题往往是因为快速的上升沿时间，高电压瞬态脉冲引起的。

14.3 抗瞬态信号干扰的能力

欧盟的标准要求设备同样需要通过高电压瞬态信号干扰测试。电子产品设计师需要关心3种高电压瞬态信号，它们是：

静电放电ESD

快速电脉冲瞬态信号（EFT）

雷电浪涌（surge）

对于高电压瞬态信号，最容易受到干扰的电路常常是数字控制电路，例如复位，中断以及控制信号线。如果这些电路被一个瞬态信号误触发，它们就会引起整个系统状态的改变。

欧盟有关商用产品在抗瞬态信号干扰能力的标准中，要求产品在测试之后，能够继续正常工作，同时产品的性能没有降低或者任何功能没有缺失。而在测试的过程中，性能的降低是允许的，但是工作的状态或者存储的数据不允许有变化（性能标准B）。在一些要求特别高的场合（例如一些医疗设备），在ESD的测试中，设备不允许有任何功能的紊乱。

表格14-3总结了3种高电压瞬态信号的一些特性：

其中两个最重要德参数是上升沿时间和能量大小。从表格中可以看到ESD和EFT有类似的上升延时间和能量值，但是浪涌则有更慢的上升沿，ms级，而不是ns级。同时它包含的能量比另外两种情况多3到4个数量级（焦耳对毫焦）。因此ESD和EFT可以使用类似的措施应对，而浪涌需要采用不同的方法。

14.3.1 静电放电ESD

ESD有两种测试方法：接触放电或者空气放电。

在接触放电测试中，未充电的放电电极先接触被测设备，然后通过测试设备（测试枪）上的一个开关触发放电。

在空气放电测试中，已经充分充电的电极靠近被测设备，直到空气放电（产生火花）发生。

接触放电测试的结果更容易重复再现，它也往往是首选的测试方法

空气放电更加近似模拟实际的ESD发生情况，但是它的测试结果不是非常容易重复的，只有当接触放电测试法不能使用的时候，才会选用空气放电测试法。例如一个安装在塑料盒中的产品。

欧盟ESD测试标准要求一个产品要通过+-4KV的接触放电测试或者+-8KV的空气放电（性能标准B）ESD测试设备（测试枪）内部有330欧姆的电阻，因此它把+-8KV的放电电流限制到最大24.24A。

ESD测试时的接触点主要是在设备正常工作或者维修时，可以触碰到的点或者面（按：主要是电源口，数据线连接口，USB，网口，SD卡接口，LCD显示屏等等）

ESD保护技术在章15详述。

14.3.2 快速电脉冲瞬态信号（EFT）

对电感性负载（例如继电器或者接口）断电，在电力配电系统中，会产生时间很短，突发性的高频脉冲信号。功率因子矫正电容器（Utility power factor corrector capacitor ）通断也是引起电力线瞬态震荡的另外一个原因。

图14-9是欧盟EFT测试标准定义的测试脉冲波形。它包括有75个突发脉冲，这75个脉冲每300ms重复一次，整个的持续时间不低于1分钟。

每一个单独的脉冲上升沿5ns，脉冲宽度50ns，重复的频率是5KHz。

对于住宅/商用产品来说，如果有交流电源接口，那么当AC交流电源线接口测试时，脉冲的幅度为+-1KV。如果设备有直流电源口，那么它对应的脉冲幅度是+-0.5KV。信号控制口测试时，幅度也是+-0.5KV。EFT信号是共模电压信号。

对于工业级产品来说，AC端口和DC端口的对应的信号幅度是+-2KV，而信号端口对应的幅度是+-1KV。

EFT测试信号产生器中有50欧的内阻。

当信号线，控制线以及地导线超过3m时，才要求测试EFT，反之，如果线缆很短，低于3m，那么相应的端口不需要进行EFT的测试。

14.3.3 雷电浪涌（surge）

欧盟关于浪涌的要求不是要去模拟一个闪电直接劈到AC电源线上的情况。而是他们想要模拟一个高电压浪涌强加到AC电线上的情况，这个浪涌是电源线附近周边因为暴雨天气的雷击或者是电线杆倾倒类似事件产生的。当电源线上的高电流负载突然断开，由于电源线上存在电感，它同样会引起浪涌。

欧盟的浪涌测试信号发生器在开路时会产生一个1.25us上升时间，50us脉冲宽度（宽度定义为50%幅度的两点之间的时间跨度）的电压浪涌信号，或者在闭路时产生一个8us上升时间，50us脉冲宽度的电流浪涌信号。 信号发生器内阻2欧姆。不对信号接口进行电压浪涌测试，只是对AC或者DC电源口进行浪涌测试，包含共模和差模两种方式。（按：现在也有对信号接口进行浪涌测试的要求，这里可能对应的标准版本比较低）。对于AC电源口，线对地的电压幅度是+-2KV，线与线之间测试信号的幅度是+-1KV. 对于DC电源接口，线对地或者线与线之间信号幅度是+-0.5KV。另外一个幅度为+-0.5KV的信号也用于地导线的连接口。（按：实际上的电压幅度因不同行业会有所不同，需按照行业自己标准规范来测试）。

除了ESD，其他高电压瞬态信号都是作用于线缆接口。ESD测试是针对外壳的。

表格14-4总结了EFT和浪涌要求：

14.3.4 抑制瞬态信号的电路网络

常用的针对瞬态信号的保护网络的特性有：

限制电压

限制电流

分流

应变迅速

有能力处理相应能量冲击

能抵抗住瞬态信号

对系统正常操作的影响微乎其微

如果保护失效，网络也是安全的

便宜而且占用空间小

不用或者只需要很小的维护。

大部分情况，上述的目标是不能同时满足的。

通常抑制瞬态信号的电路网络如图14-10所示：

电路中包含串行和并行两种器件。尽管并行分流器件可以使用线性元件，如电容，但是大部分的情况是使用一个非线性器件，这个非线性器件在受保护电路正常工作时，表现出很大的阻抗，而当一个瞬态高电压信号涌入的时候，它的阻抗变得非常小，从而将瞬态信号分流到地平面。可以通过一个易击穿器件或者是钳位器件来达到这样的目的。这种易击穿或者是钳位元件可以是齐纳二极管（zener diode），或者气体放电管（gas tube）或者是一个压敏电阻。对于齐纳二极管或者气体放电管，当外部电压超过击穿电压时，他们两端的电压基本上是一个常量，而对于压敏电阻来说，当外部电压超过击穿电压时，它维持电阻基本不变。

串行器件主要是用来限制通过并行器件的电流，因为它们两个构成了一个分压电路，如上图Z1和Z2，从而减少了作用于被保护电路的电压。串行器件可以是一个电阻或者电感或者一个铁氧化物（ferrite）。然而有些时候，串行器件由寄生电感，导线电阻和信号发生器的内阻组成。在电源电路中，保险丝或者断路器的阻抗也是串行器件的一部分。

需要理解的是，电路网络中必须要有串行器件，否则当击穿后，流经并行器件的电流将会无限大（按：这应该是不会发生的，因为信号发生器内部有内阻，齐纳二极管内部也有寄生电阻）。因此当任何时候使用抑制瞬态信号电路的时候，设计者需要考虑串行阻抗都有哪些，他们的阻抗值是多少。常见的阻抗可能包含单独的串行元器件，或者信号发射器内阻或者是PCB走线寄生阻抗等等。

有效的抑制瞬态信号的措施可以通过以下3个步骤来达到：

1， 分流瞬态信号的电流

2，保护敏感器件免于损坏或者紊乱

3，编写抗干扰强的软件（在章节15.10讲述）。

许多运用于抑制瞬态信号的技术， 和前文讨论的，应用在抗射频干扰上的技术，是很类似的。因为大部分瞬态信号电压都是作用在线缆上，所有对于线缆信号的保护是抑制技术的重中之重。

14.3.5 信号线上对瞬态信号的抑制

在线缆连接入口的位置附近添加一个TVS二极管就可以达到保护信号IO口的目的。

一个TVS二极管是和齐纳二极管类似的器件，但是它有很大的PN结面积。而PN结的面积又正比于它可以通过的瞬态信号功率，即PN结越大，TVS的二极管额定功率越大。

但是增加PN结的面积，同时也增加了二极管的寄生电容。这些增加的寄生电容是信号线的负载电容。在某一些时候，负载电容过大，会影响电路的正常操作。

TVS分双极性和单极性两种。它最重要的3个参数如下：

反向峰值电压

钳位电压

峰值脉冲电流。

在选择TVS的时候，反向峰值电压需要比被保护的电路的最大正常工作电压大。而最大的钳位电压代表的是最大的电压峰值，这个峰值电压将会跨过TVS二极管，从而作用到被保护电路上。所以被保护的电路必须能够忍耐这个峰值电压，不会损坏。即最大钳位电压不能超过被保护电路允许的电压绝对值。

而峰值脉冲电流是二极管能够忍受而没有烧坏的最大瞬态电流。在二极管之前，添加一个串行阻抗，如图14-10所示的Z1，那么它会限制流经二极管的峰值电流。

关于TVS的选择，可以参看本人的博客：

TVS的分析和选择_dylanZheng的博客-CSDN博客

TVS必须提供一个低阻抗的连接到外壳，从而高效的分流瞬态信号能量，使得瞬态信号远离敏感电路。例如，一个击穿电压为9v的TVS管，它的两端分别有0.5 英寸的PCB走线，当一个10A/s的瞬态信号经过时，实际上保护电路的两端将有159V的电压（按：PCB走线上有150V电压）。这个是基于PCB走线有15nH/inch的电感计算出来的。一个典型的瞬态脉冲会在PCB走线上产生6V/mm的压降。因此，为了获得最好的保护效果，PCB走线是非常重要的。

图14-1列举了几个可能的PCB走线设计：

其中图A是一个非常常见的走线设计，在TVS的两端都有一定长度的走线，这些走线会有寄生电感。这些电感上会有压降，使得TVS不能在电路上通过限定瞬态电压来进行有效的保护。图B的TVS管一端靠近地，它减少了靠近地端的电感。但是同样它另一端和保护电路之间有一定长度的走线，这大大增加了TVS的串行电感，降低了它的保护效果。图C是最好的走线方式，它保证了TVS管的两端电感基本为0，从而实现有效的瞬态信号保护功能。

图14-12 展示了如果通过4个双向TVS管对RS232接口进行瞬态过压保护。 需要注意的是，其中的地线也要有TVS保护。这是需要的，因为不能保证内部PCB的地信号和外壳的地的连接点在线缆入口处，并且他们之间的阻抗很低。

微控制器的复位电路，中断电路以及其他重要的控制输入信号等等，非常容易改变数字设备的工作状态，因此需要重点保护，以免被快速上升沿噪声误触发。可以通过添加一个小电容或者一个RC滤波网络（50-100欧姆，500-1000pF），类似图14-2所示，来增强它对ESD或者EFT所产生尖而窄的瞬态信号（1到50ns）的抗干扰能力。

一个多层PCB板，带有电源层和地层，相比于单层或者双层PCB，会大大提高瞬态信号的抗干扰性能。这是因为多层PCB有更低的地平面阻抗，以及与层与层之间的容性阻抗附带的串行电感较低。同样的，在11.4.6章节讨论的容性嵌入PCB板技术，也可以被使用，从而有效提升抵抗瞬态信号的能力。足够多的大容量去耦电容也是有帮助的，它能减缓因为瞬态信号引发的对电源电压的充电。电压，充电以及电容之间的关系见公式15-1。从公式可以看出，如果产生至瞬态电流的充电电量Q一定，那么电容越大，V越小，即电源电压就变化越小。

图14-13 将瞬态电流进入口的保护和敏感设备的保护联合起来。

注意的是，瞬态信号抑制器（图中的TVS）是连接外壳地的，这是因为它要将电流导走，远离PCB。而敏感设的输入端滤波器却是接入信号地，这是因为滤波器的目的是减少或者消除敏感信号输入端和信号地之间的瞬态电压。

14.3.6 高速信号线的保护

对于数据速率达到100Mb/s的高速IO接口，如USB，快速以太网， IEEE 1394等等，当进行瞬态高电压信号保护的时候，因为速度较高，会引发一个特殊的问题。为了避免传输的信号质量受影响，一般高速信号线上的负载电容要尽可能的小到只有几个pF。除了气体放电管，大部分的TVS或者其他瞬态信号抑制器件都有很大的容性。而气体放电管对于ESD或者EFT测试来说，反应速度又比较慢。大部分的TVS会有几十到几百pF的电容，特殊的低容性TVS可能会有1到10pF的电容。这些特殊容性的TVS可以使用高达100MHz的信号线上，但是依然不能使用到更高速率的信号线。（按：这里的说法比较陈旧，实际上现在（2022年）市场上有很多应用到高速电路上的TVS器件）

特殊的聚合物压敏电阻（polymer voltage variable resistors ）被开发出来应用于这些高速信号接口。他们一般是双向保护器件，内部电容只有0.1到0.2pF，截止时阻抗高达10的10次方，导通时阻抗只有几欧姆。但是他们的触发电平往往要比大部分的TVS高。

压敏电阻可以认为是一个crowbar设备，当压敏电阻导通后，它的钳位电压往往比它的导通电压低。例如一个导通电压为150V的压敏电阻，它的钳位电压大约是35V，额定峰值瞬态电流30A。这些聚合物压敏电阻可以使用到频率高达2G的数据线上。

图14-4是一个使用常规TVS和聚合物压敏电阻的例子。TVS使用在电源线以及地导线上，而聚合物压敏电阻使用在高速信号线上。同样和图14-12所示一样，所有保护器件都应该接到外壳地上。

图14-15 是一个USB接口例子，用来说明保护器件的PCB布局。这个图是USB接口器件的反面。贴片封装的保护器件按照引入最小串行感抗的方式连接，而且它们都全部连接到PCB的外壳地上，而不是信号地。PCB的外壳地需要通过一点或者多点连接到真正的外壳地。

14.3.7 电源线瞬态信号的抑制

通常需要在AC电源或者DC电源接入口增加瞬态信号保护电路，保护电路通常是电源线滤波器。这是必须的，使得电路免受于EFT和浪涌的干扰。

许多电源线滤波器可以处理低能量值的瞬态信号，如ESD或者是EFT。如果需要的话，通过在线缆的输入口到电源滤波器之间的电源线上额外添加共模扼流圈，可以获得额外的EFT或者ESD抑制性能。电源线滤波电路是一种线性设备，它可以按比例衰减高频信号噪声以及电源线上的瞬态信号。尽管它被优先用于控制低电平高频信号噪声，他们同样可以衰减高平瞬态信号，从而提供一定的保护，免于电路受到共模和差模瞬态信号的影响。

然而浪涌信号具有很高的脉冲能力，它的能量是ESD或者EFT的上千倍。所以一般要求在电源线滤波电路之前，要有浪涌保护电路来处理高能量脉冲。有3种非线性的瞬态保护器件经常被用于高能力脉冲的抑制：

TVS二极管

气体放电管

金属氧化物可变电阻（Metal oxide varistors ： MOVs）。

TVS和MOVs都是电压钳位器件。它们通过限制电压到一个固定值来达到保护电路的目的。一旦它们导通，它们就必须内部消耗掉瞬态脉冲的能量。

气体放电管不一样，它是一种crowbar设备，一旦它们导通，它们两端的电压会降到非常低的水平。因此，它们功耗可以做的比较低一些。它们能够处理极其大的电流。

TVS管经常被使用在信号线上（见章节14.3.5）和DC电源线上。相比MOVs，TVS通过大电流的能力，或者自身消耗能量的能力更低。往往是在浪涌电流小于100A的情况下使用TVS管。它们的反应时间是ps级的，所以可以应用到ESD或者EFT以及浪涌的保护电路中去。它们是上述3种保护器件中，鲁棒性最差的。

气体放电管主要应用在通信电路上。它是最慢的保护器件，反应时间是在ms级别。因此它不能被用于ESD或者EFT的保护电路中。因为它是一种crowbar设备，它不需要自身内部消耗能量，因此它是3种保护器件中，鲁棒性最好的. 通常它能够处理成千上百A的电流。

金属氧化物可变电阻是由多种氧化锌的混合物组成的。当它两端的电压超过它的门限值时，它的 内部电阻会减少。如图14-16，是一个MOV典型的V-I曲线图。可以观察到，Mov是对称的双极性设备，他能钳位正负电压。它的钳位电压定义为当流经它的电流是1mA时两端的电压。因为它把电压钳位住了，因此它需要通过自身消耗掉瞬态脉冲能量。

传统的MOVs被尽可能多地应用到ACd电源线上。它们的反应时间比TVS慢，但是比气体放电管快。它们的反应时间级别在几百ns，这对于浪涌来说是足够快的，但是对于EFT和ESD来说还不够快。它可以忍耐几百A甚至几千A的电流，处理10几焦耳的能量。

MOVs经过浪涌电流会慢慢老化。这通常不是一个大问题，因为它们对浪涌的额定次数往往都是几百万次。考虑所有的方面，对AC电源线的浪涌保护，MOVs似乎是最好的选择。

已经有贴片封装的新的多层MOVs，可以使用到PCB中，它们有低于ns的反应时间，小于100pF的容性。这些MOVs可以适用于ESD和EFT的保护。也有一些MOVs支持钳位电压从10V到50V。尽管新的MOVs功耗小于1焦耳，额定电流小于100A，没有传统MOV那么高的功耗和电流，但是它们依然适合用于很多的地方。

电力公司或者电话公司会为一个设备或者结构（按：这里的设备或者结构可以理解为一栋房子）提供最主要的抗雷击浪涌共模保护电路。这个保护电路存于它们的线缆进入一座建筑的入口。在使用AC电源线的时候，在服务入口的控制面板上，通过联合电源配电变压器，以及将电源的中线（零线）和地导线绑定在一起再连接到大地等方式来实现保护电路功能的。如图3-1所示

在电话线中，浪涌共模保护功能是由保护器模块提供的，这个保护器模块的位置，是靠近线缆连接到设备的入口的位置。当今大部分情况下，这个保护电路包含有一对气体放电管，分别连接在两根电话线和大地之间。当然保护电路也提供对差模信号的保护，但是对差模信号的钳位是气体放电管钳位电压的2倍。

因为电力线和电话线已经有了共模保护电路，因此和保护设备处于同一个结构体或者设施中的电子设备只需要额外的差模浪涌保护。对于电源或者电话线，这个可以非常简单就能实现的，只需要一个MOV，将热线和中线连接起来就可以，如图14-17.

如图图14-18所示，是一个经常用到电源线浪涌保护电路，它提供了差模和共模两种保护。

这个电路中使用了3个MOVs，一个在热线和中线之间，另外两个分别连接电源的两根线到大地。大多数情况下，这个电路应用在AC电源插座板上。然而当它从服务入口往下级联的时候，这种方法有一个不足的地方。因为连接到大地的MOVs会导入极大的浪涌电流（几百安或者更大）到整个设施中，然后再导入到安全大地导体中。

图14-18的保护电路因此不值得推荐。伴随着极大的浪涌电流导入到地线导体中，会在安全地平面产生一个很高的差分电压。例如在一个100ft长，横界面为12gauge的导线中，一个500A的浪涌电流，会产生80V的压降。然后这个地线上的压降会出现在信号导线上，闯入到不同的设备中，可能会引起设备损坏。

图14-17的保护电路不会引起这样的问题，因为没有MOVs连接到地。这种设计只是提供了差分模式的浪涌保护，但是它已经足够满足很多的应用。而在一些情况下，必须要有MOVs连接到地来满足欧盟的浪涌测试标准。

安装到AC电源线前段的隔离变压器能够有效抑制共模瞬态信号，但是他们不能阻挡差模信号。

对于DC电源信号线的差模浪涌保护电路，可以如图14-19所示。这个电路和图14-17很相似，只是额外增加了一个肖特基二极管。这个二极管能够防止输入反向电压到被保护的电路中。之所以选择肖特基二极管是因为他的前向压降比较小。这个二极管要能够承受超过MOV的击穿电压。

 表格14-5 总结了常用保护器件的一些特性：

14.3.8 混合保护电路网络

如果需要对快速瞬态信号，如EFT或者ESD，和高能量高电流信号，如浪涌，同时提供保护。使用单一网络满足两者功能要求往往是比较困难的。如图14-2所示。在这种情况下，可以考虑使用一种由两阶段电路构成的混合瞬态抑制网络。一个由两阶段电路构成的混合网络，包含一个TVS管，加上一个气体放电管或者MOV，如图14-20所示。

其中的TVS管首先导通，这个时候的TVS的导通电压低于被保护电路最大的允许电压。TVS管吸收掉了最开始的那一部分瞬态信号能量，来允许有足够的时间等待气体放电管或者MOV导通。通过TVS管的电流会在串行电阻（上图中的R）上产生一个压降，这个压降会提高气体放电管两端的电势差，直到气体放电管击穿导通。气体放电管导通之后，会吸收掉大部分瞬态信号能量。

串行电阻需要这样选择：当它和瞬态脉冲源的内阻一起作用，使得流经TVS的电流不会超过它的安全值。另外，串行电阻会使得气体放电管两端的电压增加到超过TVS的击穿电压，从而允许气体放电管导通。在某些时候，选择的电阻值可能过大，影响到了电路的正常工作（按：因为它损耗了一部分正常工作的电压）。这种情况下，串行器件不一定是电阻，可以是电感或者同时使用电阻和电感。

例如一个1uH的电感将会有100V的电压压降，当一个1000V/us的瞬态脉冲通过它。有时候可以使用一个绕线电阻，因为它在一个封装之内同时提供电阻和电感。

14.4 电源线的扰动

设备设计师还需要另外关住电源线的扰动，包括电源的突降或者突然断路。电源的突降指的是一个短时间内的电压均方根的降低，通常发生的时间只有几个信号周期。它是由电源系统的错误引发的，或者是对一个设备，如电动机或者大功率加热器等上电引起一个很大的突发电流引起的。临时性的电源断路指的是电压的完全断开，一般持续几秒钟，这个主要是因为电力设备清除系统错误所采取的一些动作引起的。

表格14-6列举了欧盟对AC电源线电压降低和断开的应对要求，他同样应用于住宅商用设备或者轻工业环境中。（EN 61000-6-1 2007）。

为了解决电源突降或者断路的问题，需要一个备用能量源。这个可以通过在系统的DC输出端添加足够的电容来实现。一个产品需要通过添加足够的电容，使得设备在完全断电的情况下正常工作至少17ms（大约是一个60Hz交流电的信号周期）

著名的电流电压和电容的关系公式如下：

或者改写为:

例如 一个产品正常情况下，从电源线获取1A的稳定电流，正常工作的电压是12V+-3V. 那么它需要多大的电容来应对10ms的完全断电呢？ 从公式14-8可以得到

14.4.1 电源线的抗干扰曲线

计算机和商用设备制造商联合会（CBEMA），是信息技术工业理事会（ITI）的前身，他定义了一个电源线抗干扰特性曲线图，如图14-21

（按：上图需要从右往左分析，比较好理解）

这个曲线图假定任何设备都可以一直正常工作，只要它的电压在+-10%的变化范围之内。如上图最右边从10s到100s所示。

如果电压下降了20%，那么对设备的要求是必须能够正常工作10s。

如果电压下降了30%，那么对设备的要求是必须能够正常工作0.5s。

如果电源完全断开，那么对设备的要求是必须能够正常工作20ms。

另外，如果电压上升了20%，那么对设备的要求是必须能够正常工作0.5s

如果电压上升了40%，那么对设备的要求是必须能够正常工作3ms

如果电压上升了100%，那么对设备的要求是必须能够正常工作1ms。

上图中中的左边时间小于100us的部分，描述的是浪涌电压发生的情况。在这部分曲线中，最重要关注的是瞬态信号的能量，而不是电压幅度。对应这部分曲线，设备的目标是提供一个最小80焦耳的抗干扰能力。它和欧盟的浪涌测试标准是一直的，因为浪涌测试要求是小于80焦耳，如表格14-3所示。

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