从零学运放—11 运放干扰和静电处理（一）

从零学运放—11 运放干扰和静电处理

        干扰和静电平时是碰不到的，但是一旦碰到了由于没有经验所以不知道怎么处理。像静电要想获得经验必须有个静电枪，静电枪都是上万块钱的。干扰的测试手段也是非常有限。这两块东西本身并不难，难就难在没有这个经验。

        了解这两块东西，我们必须从源头入手。源头就是我们的供电系统，供电系统如下图。

        配电所过来三根线A、B、C，用发电机发出来的就是三相电，三相电我们知道是380V，380V是每根线与线之间是380伏，A与B、B与C、C与A之间是380V，就单个线来说是220V，所以说三相电每一相电压220V，线与线之间是380V。也就是相电压220V，线电压380V。

        实际每一相是两根线组成的，我们说单相是两根线（一去一回嘛），三项实际上就是6根线，为了考虑距离传输，节省线，把每一相的其中一根线合并成一根线，于是就有一根零线，如图有地标的一根线，就是把每一相的一根线合到一起。但是假如说每一相的用电量是一样的话（对称的），那中心线上是没有电流的，这个时候就可以把这个零线可以省了。所以我们的交流电在负载平衡的条件下，只需要三根线就够了。比如说加热一个电炉或一个电机（三相电机），三根线就够了，不需要通地连线。但实际上我们很多时候，比如家用电，只取出了其中一相，有些场合可能涉及到不平衡，比如说高频电源一般都接在工业的单相电上去，那么这就需要零线了。有些客户他们布线的时候，这个零线布的比较细，所以导致我们的高频电源没法用，所以说这个变压器隔离之后，用变压器降压降下来，得到我们想要的单相220V与电器一端相连，那么公用脚出来之后与电器另一端相连，形成回路，这就是三相四线。但实际上呢大家可以看到，电从变电所出来之后，让三相的公共端接到了大地，这才是关键点所在，其实我们所有的干扰大部分的源头就在这里，因为把零线接了地，在变电所出来的时候就接地了。那么现在就有一个问题了，它干嘛要接地。

        *三相五线制（三线输出、共线、大地）

        *相电压220VAC，线电压380VAC

        *中心接地

        *保证电网与地球等电势（共线接地的原因）。我们所有的东西生活在这个地球上，地球是个等势体，我们往往以他为参考点 ，假如说电网不接地，那会不会出什么问题呢?我们来看下交流供电图

        公脚端不接地，那就出现一个问题了，假如我们深圳的电网没有接地，那么电网和地之间会有电势差，可能会很高，根据环境的潮湿程度决定的，越潮湿压差越低，越干燥压差越高。尤其冬天最明显，人与人一碰就会有静电，尤其乘公交车的时候比较明显，所以说一些山寨手机在北京的烧毁率是非常高的，由于静电导致ESD损坏（保护）。那么如果电网悬空的话它跟大地也是产生很大电压，我们就出来一个问题了，假如电网跟大地相差1000伏的话，我们去接线，人在站在地上去接线，这时光这个静电跟我们就有可能产生几千、上万伏了，不要说它自身的220伏电。所以说悬空的网络，它跟大地之间的静电场完全是波动的（跟环境相关的），所以接线的时候完全没法接，安全性无从谈起。为了解决这个问题所以把公共端零线端接地，这样的话三个相线每根对于大地来说最高也就是220V了，线与线之间是380V。避免了全国电网接线问题，这就是为什么电网从变电所出来的时候就接地的道理。那有人会问，我们可不可以用零线接地，直接从大地传输过去呢?大地电阻不确定（天气干燥电阻大，潮湿电阻小），所以都是专门拉过去一根零线。零线拉远的话，就不可能等价于地，因为线有长度，就存在电感。所以有些时候我们测零线与大地之间的电压，我们发现零线电压也有几十伏，工业环境我们能测到零线电压都有70-80伏，尤其在负载不平衡和零线较细的情况下会把零线完全拉偏。

        设备接线我们以LCD电视为例，发电机两根线拉出来输出，一根火线（相线）一根中线，中线接地，相线与零线之间形成220V电压接在电视的插头上，电视插头接的是电视内部的开关电源，LCD电视的外壳接地，有线电视信号，DVD信号有一个端口都要跟地接，这样我们的电视机也是接地的，这个保证电视跟整个地球等势的。

        我们国内家用电器很多都是两个孔，是没有接地脚的，三个孔是有一个是接地脚。没有接地脚就是为了简单，方便，那2个脚的有没有问题?你说问题多大也谈不上，但是安全性会差一点，同时也会引起一些别的问题，这个到后面再讲。比如典型的例子笔记本，尤其苹果笔记本外壳是镁铝合金的，有些用两孔电源适配器的话它就有触电感了，就是因为外壳跟地没有通路。

        接地一种是直接接地，另一个就是虚接地

        *USB等金属连接器外壳

        *通过电阻（1M）电容（1nF）并联接地

        *减缓静电释放速度，降低火花

        上图左图是直接接地，我们最常用的一种接法接实地；右图是虚接地，电阻和电容并联把壳子与地相连，直接接地如果有静电产生会有火花出现，火花本身就是一个强的干扰（因为它就是电磁场辐射），这种情况有可能把手机之类的打死，如果虚接地的方法，静电会通过电容充电，电阻放电的方式慢慢的将静电释放，会减小火花出现。

        放电管也是同样的目的，放电管里边一般都是充的氖气，当电压高到一定程度的时候两级会把里边的氖气发光发热，最后能量释放掉，最典型的就是日光灯的启辉器（所谓的跳炮）。因为放电管的电压相对来说偏低（当然有高有低），这里用了一个压敏电阻和放电管

        上图是一张开关电源的电路图，最常见的一种RCC电路，应用于充电器、5—10W的开关电源上。我们知道开关电源兴起之前，很少有听说干扰之类的问题，因为那时都是变压器降压耦合的，开关电源之前我们的干扰没这么严重的，除了电机之类引起的火花之类的干扰之外。自从开关电源出现之后，到处都是干扰，干扰罪魁祸首应该是开关电源，其次是电网源头的接地，开关电源为什么会引起各种干扰?尤其硬开关的开关电源，在开关的时候瞬间产生一个高压，比如说RCC电路，Q1是控制三极管，当它导通的时候，电流从变压器线圈通过Q1导通，当Q1关闭的时候，三极管Q1极电极产生高压（500-600伏）通过快速恢复二极管D1通过电阻电容并联电路形成回路把能量释放掉，快速释放给电容，然后电容慢慢释放，消掉尖峰；但是这个过程就相当于产生一个高压突变，频率有几十、上百K，于是这么高的频率，尤其尖峰的频率可以认为更高，因为我们周期假如是100K,那这尖峰时间很短，通过傅里叶展开之后频率可以认为是几兆赫兹，因为剑锋时间很短 ，瞬间完成的。那么这个时候，在1MHz附近的尖锋频率电路板上分布电容就产生了，它这个高频信号通过分布电容可以相互耦合，比如说通过变压器耦合到变压器的另一端，因为变压器线圈之间有电容；这个尖峰通过入口会反馈到电网去，于是导致输入端都有信号。那开关电源通过自身的分布电容，使干扰无处不在，所以开关电源是干扰的起源。

        因为我们不知道分布电容有多大，那么干扰分两种：1、共模干扰（火线和零线同时出现高压，假如整流二极管左侧某一瞬间是220伏，右边是0，开关一瞬间产生的高压，导致左侧320，右侧变成100，那么两个压差还是220，但是两个脚同时增加了100伏，于是两个脚都叠加了好几个兆的纹波）；2、差模干扰（干扰过来之后，可能二极管左侧叠加100，右侧叠加了50，那么两个之间差异是50伏）。共模是输入两根线同时被干扰了同样的幅度；差模是两根线不是同时被干扰，还有差异的，火线多零线少或者火线少零线多。所以一个干扰可以认为，共模和差模同时存在。那么干扰会通过插头反馈到电网里面去。

        为了解决干扰我们怎么办呢?我们需要消共模和消差模。上图串了一个共模电感（共模消流圈），它也有消差模的一定作用，这里绕线需要同名绕法，同名绕法，当电流流过的时候会体现出一个大的电感，限制电流流过，电流流入到流出抵消掉了差模。当然它主要是消共模，也有一定消差模的作用，我们的线圈不可能100%的绕在一起，不可能100%的抵消，也就是说它有一定的消差模作用，作用不大，主要是以共模为主，所以一般叫共模电感。

        火线和零线进来的时候，N线串了一个亚敏电阻（负温度特性，温度越高电阻越小，这样有个好处，因为后面有很多电容插上电源的时候如果电阻很小的话，瞬间给后续电路里的电容充电，于是会有听到怕的声音，有火花，就是因为这个电阻比较小，瞬间给电容充电能量太足了。负温度特性的电阻插上的刚开始很大，充电瞬间到后续电路里的电流就小，缓慢热起来之后电阻阻值越来越小，就可以认为完全导通。这种电阻往往用于小功率场合，例如手机充电器，因为后续电路里的电容不需要很大，那它就用1W的碳膜电阻来代替这个电阻，缓冲一下这个充电电流），同时火线上碳膜电阻当保险丝用，因为碳膜电阻当电流瞬间超过某一个值之后，它就会裂开，那么碳膜电阻用热缩管一套，那它裂了也是碎片套在里边，所以既当缓冲限流电阻，又当自恢复保险丝，这个只能适用于几瓦的小功率的场合，那么大功率高频电源就不能这样了，因为功率太高好几个千瓦，那大功率怎么办呢，串一个电阻几十欧姆的，然后电阻上并联一个继电器或者MOS管之类的，刚开始是通过电阻给电容充电，充满了之后再把继电器吸合短路起来。上图我们看到电感下边有一个275V/0.22uF的电容，这个是安规电容，这个是消除差模的，比如RCC干扰纹波过来的时候，电容使电压不能突变，所以它把两边突变的电压吸收掉了，这个电容既可以消除电网外边的干扰，还可以吸收电路自身内部的干扰（差模信号），这个就叫差模消除电容。

        假如下图1处0伏，2处是200伏，那么一个开关电源内部开关干扰过来的尖峰例如右边100伏，左边320伏，那么我们不希望有这么大的共模噪声，因为太高了之后会导致内部电路的一堆问题，比如绝缘芯个方面的问题。

所以说左右的值都是对地来讲的，因为我们知道零线接地了。所以下图中的点两边并上了不大于4.7nF的电容与地之间，因为大于4.7nF会出现一个问题，我们家庭都加了漏电保护器（应该就是家里的空气开关），那么这里的电我们可以认为是通过电阻漏到了地上，就会导致漏电保护器自动跳闸，所以说这个值不能太大，这里用了2.2nF各自把火线和零线上的共模的信号就对地虑掉一些。

        之后有一个差模的滤波电容，如下图

        这就完成了输入端的干扰处理。那么所有的开关电源几乎都有，除了手机充电器很小功率之外（可能苹果里边的会有）基本上都有的。

        接下来再讲下内部电路的地方

        那么输出呢，我们知道所有的系统网络都不能悬空，都要对大地接。那么输出这个地方也有一个103M的10nF的电容对地接。那么这里的地很多时候都是机壳，那么笔记本充电器呢很多是塑料壳的，甚至有些也是两个端口没有地的，没有地脚的，那么这个时候它就把下图的三个地短路一起

        （没有接地线情况下）所以说我们可以发现，输入端的信号，通过并联电容到公共端，然后再跟输出端的公共端相连通过输出端电容到输出，所以说输出再接笔记本，比如苹果的笔记本我们手摸到它，为什么有触电感，就是因为有这几个公共端相接的问题，而没有直接接地。如果有些人懂的话，可以把输出端的对地接的电容去掉，那么这个触电感会少很多，原因就是输出和输出变压器的的原副边有电容在里面。这个电容103还是偏大的。我们输入端零线是接地的，通过左边路通过电容到公共端上去，公共端没接地，因为充电器是塑料壳的，又没有把地引出来，那么公共端是连接在一起的，于是到了输出端下图位置

那么当开关呢，有高压尖峰过来的时候，那么尖峰就通过电容下图，到了公共端

公共端在通过下图所框电容到了输出地，那么这个笔记本充电器的地就跟我们笔记本的机壳是连起来的，像笔记本的机壳是金属的，那么这里就会有被共模干扰的几十甚至上百伏的尖峰，但是这个是低能量的，手摸上去问题不太大，天气潮一点又运动有汗的时候摸上去就有触电感，尤其敏感位置舌头。

        好这里解释了下笔记本充电器的原理，那么咱们继续。接下来我们认识下电路里的器件。

        开关电源中我们共模、差模不知道怎么处理。

        我们可以直接从淘宝上买一个标准的EMI滤波器就可以了。像下边的规格，电流是10A。

        它是分两级，如图，一级消差模线圈（不是公用磁芯它可以消差模用）；一级消共模线圈（两个线圈公用一个磁芯）。输入电容式消差模的，因为是跨接在两线之间（X电路）；对地的两个电容消共模用的，刚才说的不能大于4.7nF，它也分两级，那么分两级这两级处的电容都不可能太大，不能用4.7nF那么用2.2nF就可以了。分两级类似于IOC滤波一样。

        图片下边的电路是内部电路图，这个不是针对图片上边的器件的，这个是网上随便找的一个，X电容一般取值0.1uF—2.2uF甚至更高的都有，太大不行，太大插上电火花很高，因为交流电一进入到电容就会产生火花，接入的时候产生火花是不好的，所以这个值不能太大。那么负载越小（开关电源功率越小），这个电容越小，如果开关电源功率很大，那么这个电容用2.2uF甚至更高的都有，这个电容的取值跟设备的功率有关。接着是电感公用磁芯同名端（抗共模的），后边的电感是各自的线圈消差模的（是各自的电感，没有同名端说法），C2是X电容，后边还有一个，三级X电容。C3和C4是2.2nF消共模的。

        那么X电容和Y电容统称为安规电容，安规电容有个基本要求，他必须能自放电，也就是它的里边并了一个很大的电阻，当电拔掉之后电容里的电慢慢通过内部电阻慢慢消耗掉，所以安规电容不能长期储电的，否则有电的话可能会触电。那怎么来分辨安规电容呢，如果电容上边标了一堆东西有什么符号了，又认证之类的那肯定是安规电容。一般安规电容电压都是275啊比较常见的，有些是250啊，常见275是比较多的。上图下边一般常用在Y上用消除共模，上图上边一般用在X上消除共模。

        差模我们很容易理解，各自上面有差异，那么后面有电容可以滤波掉，尤其后面有个大的电解电容都可以滤波掉。大家会想不明白的一个地方是共模两个同时升高它到底对我们有多少危害呢。实际上我们很多问题出来主要还是共模引起的问题。比如下图

        *设计不对称

        *负极接地

        *共模转差模：C1<>C2

        这里的两个设备，设备之间导线连接，我们任何导线都有电感、电阻，我们可以认为上图中间所标记之处是电感电容的集合体，好一个干扰过来（比如刚才开关过来导致的尖峰或者有些闪电），干扰通过两根线过来之后到设备，本来线上的信号是平衡的（加入上边线1伏、下边线负1伏或者上边线3.3伏，下边线是地），干扰过来，那么地这层呢尤其是PCB设计的时候会有一整块地，那这个地跟机壳之间形成了很大一颗电容，还有些时候我们经常把PCB的地跟机壳直接短接，我们可以认为这个电容（地线与地之间的电容C1）是直接短路的，或者这个电容很大也可以近似认为短路；那么信号脚上线（例如串口发送脚），它跟机壳之间的分布电容是很小的。所以说C1跟C2是完全不等的。那么当有干扰过来的时候我们可以看到，下线是接在地上的话，对这个条线的电平是没有影响的；假如上线是3.3伏，下线是0，由于干扰上线变为13.3伏，那么按理说地变成了10伏，这样差模还是保证3.3伏的，因为地脚通过C1是接机壳的（通过大电容），它的信号还是0或者最多也就是1，它的10伏就变成1伏了；上线干扰过来呢，还是13.3，经过一个分布电容进来之后可能变成10几伏了，于是两个电压差就差开了，于是一个共模信号就转换成差模信号了，原来各自之间是3.3，哪怕共模干扰之后还是3.3伏，但是因为两个信号接的电容（分布电容）不相等，于是把共模信号就转换成了差模信号，所以共模危害里最大的一个问题就是共模转差模，因为两根线接法不对称。解决这个问题一种是用差分信号（max485为什么可以传输远距离一点，它就可以抗共模，因为用到了差分信号。差分信号可以认为两个端口是等价的，它的分布电容认为基本接近，所以共模过来的时候这种平衡性很好，就是尽可能减少共模转差模的机会）。因为真正问题的实际上是差模,共模的问题一般不会太大，当然也不能超标，超标之后可能把端口打坏了烧掉了，但是很多的危害都是共模转差模的问题。共模转差模的原因就是不对称。

        *共模磁环

        *变压器，因为变压器跟后级是隔离的，两个信号有共模差的话，通过变压器完全可以隔离的，所以老外的一些进口工业设备里边输入端就是个变压器，因为变压器既可以抗共模又可以抗高频差模，因为很多开关电源干扰都是高频的，而变压器是功频的，那高频信号就过不去了。这种方法是非常好的方法。还有一点是变压器的输入点很多，这样全球不同的电压都可以得到一种电压，比如中国式220V的，那就可以接220这一组的得到某一个值，另一个国家是110的那就接110这个组都转换成一样同一个电压，所以工业设计中这个想法是比较好的一种做法。这是针对大功率的。针对小信号来说，我们最常见的地方网线，网线连接网卡的接头输出的地方就接了一个小变压器，实现信号的隔离，可以抗共模的。

        *光耦：TIL300(线性光耦)、HCNR200(线性光耦)、6N137(高速光耦，一般用在数字上的)、PC817（属于线性，但是不是很高，用在开关电源反馈是最常用的）（之后呢就是光耦，光耦可以很好的抗共模，里边输出就是个二极管，二极管就两个脚，这两个脚完全可以做对称，就不存在分布电容差异很大问题。光耦分线性光耦和普通的光耦两种）

        *磁耦：ADUM1200/ADUM1201（最近新出的，这个做高频机也开始再用了，磁耦有很大好处，价格略贵一点，不过也基本跟光耦接近了）

        上图是线性光耦的使用，1-2是发光管，3-4、5-6完全一致的接收管，输入端这边是源边做一个跟随反馈网络，在3-4、5-6等价的情况下呢，3-4反馈的信号跟5-6接受管等价的时候，然后让右边输出来实现信号的提取

        最右边的USB线是共模磁环，这种磁环一般用镍芯或锰芯材料，大部分用镍心材料，线穿过磁环，因为电脑通过USB跟别的设备连接的时候两个设备之间因为开关电源或者其他因素连个设备之间电平不匹配的，就要消除。

        *低电流：8.2mA@5V

        *高速:25Mbps

        *低开启延时

        *边沿陡峭

        *一致性强

        *多路，适合隔离数字接口

        *缺点：原边需要供电

        磁耦有几个好处，功耗低，光耦驱动的时候必须点亮LED灯，LED灯点亮需要10mA差不多，那么磁耦5V下8.2mA，它还可以工作在3.3伏下。磁耦高速25Mbps的比特流，光耦（6N137）也就10Mbps。磁耦通过示波器观察，边沿也比较陡。光耦有个很大的缺点，因为光耦在给LED电压点亮是需要时间的，这个时间还是比较长的，动不动可能几十个纳秒比如6N137为例，但是磁耦没有，磁耦可以很快的，所以说它开启的时间很短，这样畸形就少了，并且边沿也可以很陡，因为它里边是数字电路。我们知道光耦很多往往都是OC门（6N137）输出的，虽然也有推挽是输出，但是比较少，所以光耦的边沿比较缓一点。磁耦边沿一般都是推挽式的，边沿比较陡，因为它输入和输出都加了施密特，如下图。

还有磁耦便于集成，一颗ADUM1201集成了两路，体积又小，所以很好的可以使用在CAN通信和串口通信上，一颗就搞定了，并且方向相反非常好接。

        最关键的为什么用磁耦，例如MOS管的H桥驱动上我需要H桥驱动时间要求很高，就是一致性很高，波形延时要非常准确，光耦动不动有几十纳秒的延时，因为当时的工作频率有600K—1M了，也周期才1000纳秒，半个周期就是500纳秒，如果50个纳秒已经是影响10%的精度了，我时序世间才100个纳秒，光耦驱动误差就有50个纳秒附近了，那么H桥工作就乱套了，所以容易出现杂机。

        那么唯一的缺点就是原边需要供电，看上图两边都需要有电，光耦电加上去就行了。

非常不错的资料   感谢分享  学习了