智能型剩余電流保護(hù)器電磁兼容設(shè)計(jì)

1 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(cè)、計(jì)算、顯示、動(dòng)作判據(jù)、保護(hù)動(dòng)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(hào)、復(fù)位電路、中斷信號(hào)、取樣信號(hào)等又容易受到電磁干擾的影響，消除或抑制電磁干擾信號(hào)對(duì)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(duì)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(dòng)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(chǔ)的能量在電源波動(dòng)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。

　　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(hào)對(duì)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(huì)出現(xiàn)誤復(fù)位引起的誤動(dòng)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(chǔ)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(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

2 系統(tǒng)高頻干擾的消除——“采樣監(jiān)測(cè)”法

　　由于閃電、接地故障或切換電感性設(shè)備而引起的信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生瞬時(shí)擾動(dòng)，產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)主要是通過系統(tǒng)進(jìn)線電源進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。檢測(cè)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2 500 Hz，幅度4 000 V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1 min，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(dòng)作，則這方面的抗干擾能力就是合格的。

　　本系統(tǒng)利用“采樣監(jiān)測(cè)”法對(duì)電源上的高頻干擾進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(dòng)作。詳細(xì)原理如下：

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

　　數(shù)字采樣方法具有數(shù)字濾波效果，對(duì)信號(hào)的通道干擾有抑制作用。設(shè)定每個(gè)周期采樣100個(gè)點(diǎn)，由定時(shí)器T0產(chǎn)生采樣時(shí)間間隔。將系統(tǒng)某相進(jìn)線電源（如A相） 信號(hào)經(jīng)過降壓、整形電路如圖5所示，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。作為單片機(jī)中斷0的觸發(fā)信號(hào)，在正常情況下電源信號(hào)的頻率為50Hz左右，在兩次中斷期間，對(duì)剩余電流的采樣次數(shù)為100次。

　　當(dāng)電源有高頻干擾信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)也同步受到干擾，頻率也疊加有高頻脈沖，將對(duì)中斷產(chǎn)生影響，兩次中斷觸發(fā)的時(shí)間縮短，則兩次中斷期間對(duì)剩余電流的采樣次數(shù)也將小于100次。利用單片機(jī)中斷對(duì)剩余電流采樣過程的監(jiān)測(cè)，可以判斷出系統(tǒng)是否受到高頻干擾，采取相應(yīng)的軟件處理可以避免保護(hù)器的誤動(dòng)作。

　　監(jiān)測(cè)采樣的軟件程序如下：

　　系統(tǒng)主程序通過對(duì)bgrc1進(jìn)行判斷，如果有效進(jìn)行干擾軟件處理，無效則采用測(cè)量過程沒有受到電源的高頻干擾，進(jìn)行正常的計(jì)算處理。

3 其他抗干擾措施

　　斷路或雷電瞬變過壓引起的單極性浪涌，也是保護(hù)器電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在電源線的火線和零線間加入氧化鋅壓敏電阻，當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓低于標(biāo)稱電壓時(shí)，其電阻幾乎無窮大，稍超過額定值后，電阻值便急劇下降，反應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)。壓敏電阻可以使浪涌干擾大幅衰減，減小對(duì)其他電路的影響。

　　在設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器PCB板時(shí)，綜合考慮各種可能影響保護(hù)器性能的因素，提高PCB對(duì)干擾的抑制能力。強(qiáng)電電路集中線路板邊緣一端，并與弱電部分保持適當(dāng)距離。模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字處理電路分離，由于采用單片機(jī)內(nèi)部的A/D，兩者不能做到完全分離，布線時(shí)使模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)共地。系統(tǒng)電源線和地線加粗，空白的地方覆銅，