摘 要 本文介紹了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和主要功能，以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)電磁兼容試驗(yàn)及其技術(shù)要求。本文從產(chǎn)品硬件開(kāi)發(fā)的角度給出了應(yīng)對(duì)不同類型電磁干擾的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)提出了合理化建議，以有效應(yīng)對(duì)不同類型的電磁兼容試驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】電氣火災(zāi) 型式試驗(yàn) 電磁兼容EMC 硬件設(shè)計(jì)

1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的EMC性能要求

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和各類電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器組成，其作為火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于預(yù)防電氣火災(zāi)事故的發(fā)生起到重要的作用。其中，監(jiān)控設(shè)備主要用于接收探測(cè)器工作狀態(tài)和采樣信號(hào)，顯示系統(tǒng)報(bào)警信息。各類探測(cè)器根據(jù)其測(cè)量物理參數(shù)的不同，分為剩余電流式、測(cè)溫式、故障電弧式和熱解粒子式等探測(cè)器，主要用于測(cè)量配電線路中與電氣火災(zāi)成因相關(guān)的各類物理量，并實(shí)時(shí)向監(jiān)控設(shè)備發(fā)送工作狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)。

2014年國(guó)家頒布實(shí)施了新版的GB 14287-2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，其中每部分標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)于監(jiān)控系統(tǒng)中的一種類型產(chǎn)品。GB 14287-2014系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的電磁兼容性能提出了較高的技術(shù)要求，針對(duì)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用制定了多項(xiàng)電磁兼容性能試驗(yàn)，用于測(cè)試產(chǎn)品對(duì)各類電磁干擾信號(hào)的抑制能力。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在電磁兼容試驗(yàn)期間，試驗(yàn)樣品應(yīng)保持正常工作狀態(tài)，不得出現(xiàn)誤報(bào)警、系統(tǒng)重啟、顯示或通訊失靈等情況發(fā)生。因此，制造商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的最初階段，就需要針對(duì)不同類型的電磁干擾建立合理的設(shè)計(jì)方案，以保證順利通過(guò)型式試驗(yàn)。

2 EMC試驗(yàn)項(xiàng)目及其應(yīng)對(duì)策略

表1給出了型式試驗(yàn)中的電磁兼容及電源波動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目，其主要參考依據(jù)為GB/T 17626系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 靜電放電抗擾度試驗(yàn)（ESD）

靜電放電抗擾度試驗(yàn)（ESD）主要考察產(chǎn)品對(duì)來(lái)自使用者的靜電放電，或者當(dāng)鄰近物體發(fā)生靜電放電現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)品工作的可靠性。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為：接觸放電電壓6KV，空氣放電電壓8KV。靜電放電不僅能夠?qū)⒏蓴_電流從金屬部件注入產(chǎn)品電路內(nèi)部，其產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)也會(huì)耦合進(jìn)入電路并影響其工作狀態(tài)。一般的設(shè)計(jì)方案是在產(chǎn)品的電源、I/O口和接地端之間連接一對(duì)快速、低容量的二極管，或直接并聯(lián)更為高效的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）。建議在使用TVS管的同時(shí)再增加1個(gè)或多個(gè)高頻旁路電容器，放置在易損元件的電源和地之間。其次，電路的電源端應(yīng)避免產(chǎn)生較大的電感，從而影響濾波電路對(duì)脈沖電流的防護(hù)。產(chǎn)品金屬外殼的有效接地至關(guān)重要，其電源地、信號(hào)地和金屬外殼應(yīng)連接在一起形成系統(tǒng)接地。當(dāng)外殼由多塊金屬結(jié)構(gòu)件組成時(shí)，應(yīng)保證金屬殼體的連續(xù)接地。

2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)（EFT）

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)（EFT）是模擬供電網(wǎng)絡(luò)中感性負(fù)載在斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因在斷開(kāi)處產(chǎn)生的瞬態(tài)騷擾。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對(duì)電源端口的騷擾脈沖幅值電壓為2KV，對(duì)I/O口的騷擾脈沖幅值電壓為1KV。由于EFT騷擾信號(hào)能量小，信號(hào)頻率固定。因此，該試驗(yàn)對(duì)于產(chǎn)品一般不會(huì)造成永久性損壞。但當(dāng)脈沖信號(hào)群進(jìn)入電路內(nèi)部對(duì)其結(jié)電容持續(xù)充電，能量積累到一定程度后，還是會(huì)引起電路中控制單元的誤動(dòng)作或觸發(fā)錯(cuò)誤的IC片選信號(hào)導(dǎo)致故障發(fā)生。對(duì)于電源端的脈沖騷擾，一般選擇在電源入口處加入鐵氧體磁環(huán)或共模電感。對(duì)于通訊或采樣功能的I/O信號(hào)端口，建議再加入信號(hào)濾波器，以防止騷擾信號(hào)進(jìn)入電路內(nèi)部的信號(hào)處理單元。

2.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)

浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)主要模擬供電網(wǎng)絡(luò)中大電容器件的開(kāi)關(guān)，以及雷電瞬態(tài)過(guò)電壓引起的單極性浪涌電壓沖擊。試驗(yàn)采用注入方式、通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)品的交流電源線和其他外部連接線進(jìn)行浪涌沖擊干擾。浪涌試驗(yàn)的沖擊能量大，很容易造成電路內(nèi)部器件的擊穿損壞。一般的應(yīng)對(duì)策略是，使用壓敏電阻、TVS管、氣體放電管等專門的浪涌抑制器件，或者多種器件配合使用以達(dá)到更好的浪涌抑制效果。

壓敏電阻所能承受的峰值電流較大，但由于鉗位電壓較高一般只適用于直流電源線和低頻信號(hào)線。TVS管的鉗位電壓性能良好，但其承受電流能力較弱，一般不用于高頻通訊線路上，建議與其他大功率浪涌器件配合使用，作為后一級(jí)防護(hù)器件。氣體放電管的承受電流很高，鉗位電壓很低，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。如果線路的工作電壓較高，會(huì)導(dǎo)致放電管工作時(shí)間延長(zhǎng)，從而影響使用壽命。對(duì)于交流電源線路，一般將壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管組成浪涌抑制網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在后端加入低通濾波器來(lái)消除殘余脈沖。此外，還應(yīng)保證產(chǎn)品本身良好的接地。

2.4 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度和工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)

射頻電磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)主要模擬產(chǎn)品處于空間電磁場(chǎng)輻射下，以及電源線或其他外部線路與電磁場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的電磁干擾。前一項(xiàng)試驗(yàn)在微波暗室中、通過(guò)發(fā)射天線對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行頻率范圍為80M～1000MHz的空間電磁波干擾；后一項(xiàng)試驗(yàn)則通過(guò)耦合/去耦裝置將頻率范圍為150k～80MHz的騷擾信號(hào)注入到產(chǎn)品線路中。工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)主要模擬供電線路中工頻電流產(chǎn)生的穩(wěn)定、低幅值磁場(chǎng)，以及供電線路或設(shè)備故障時(shí)產(chǎn)生的短時(shí)、高幅值磁場(chǎng)，磁場(chǎng)波形均為工頻正弦波。

在電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，探測(cè)器內(nèi)部一般具有模擬信號(hào)電路和高精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，且各類產(chǎn)品內(nèi)部都具有獨(dú)立的時(shí)鐘和微處理器芯片。因此，制造商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就需要考慮以下幾個(gè)方面以提高產(chǎn)品在電磁干擾環(huán)境下的可靠性：

（1）在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量降低時(shí)鐘頻率、減少高頻噪聲，且時(shí)鐘線盡可能短；

（2）I/O信號(hào)線路遠(yuǎn)離時(shí)鐘和數(shù)字信號(hào)總線；

（3）對(duì)PCB的各功能部分合理分區(qū)、合理布線。模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和繼電器、大電流開(kāi)關(guān)等部件之間要分開(kāi)，元器件之間的引線要盡量短。信號(hào)線路不形成環(huán)路，減少電磁干擾信號(hào)的耦合；

（4）電路板具備良好的接地，如PCB上有多個(gè)返回地線，最終應(yīng)匯聚到同一點(diǎn)處；

（5）對(duì)干擾信號(hào)特別敏感的電路考慮加裝金屬屏蔽罩。

2.5 電壓暫降、短時(shí)中斷和電源波動(dòng)試驗(yàn)

電壓暫降、短時(shí)中斷試驗(yàn)，和電源波動(dòng)試驗(yàn)主要模擬供電網(wǎng)絡(luò)由于短時(shí)故障或負(fù)荷突然增大所引起的供電電壓暫降或中斷，以及供電系統(tǒng)負(fù)荷變化或供電線路過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的電壓波動(dòng)或持續(xù)壓降，試驗(yàn)主要針對(duì)AC220V供電產(chǎn)品。試驗(yàn)條件分別為：供電電壓為40%額定電壓、持續(xù)時(shí)間為10個(gè)正弦波周期的電壓暫降試驗(yàn)；供電電壓為0V、持續(xù)時(shí)間為1個(gè)正弦波周期的短時(shí)中斷試驗(yàn)；以及供電電壓為85%～110%額定電壓的電壓波動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)于配有備用電源的產(chǎn)品，電壓暫降和短時(shí)中斷雖然可能會(huì)對(duì)其供電造成影響，但由于試驗(yàn)時(shí)間短，因此可以通過(guò)軟件濾波等手段使產(chǎn)品狀態(tài)保持穩(wěn)定。對(duì)于探測(cè)器等無(wú)備用電源的產(chǎn)品，為了避免產(chǎn)品在試驗(yàn)條件下出現(xiàn)重啟、顯示器件失靈等現(xiàn)象，一般會(huì)在其電源處加入穩(wěn)壓濾波電容。此外，大功率產(chǎn)品一般建議采用開(kāi)關(guān)電源或隔離變壓器作為穩(wěn)壓裝置，而對(duì)于小型的探測(cè)器類產(chǎn)品，建議采用性能較好的電源管理芯片，并在前端配以濾波電路。

2.6 提高產(chǎn)品電磁兼容性能的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合理的內(nèi)部芯片程序，同樣能夠提高產(chǎn)品的抗干擾能力。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于各類系統(tǒng)事件的響應(yīng)時(shí)間，如探測(cè)器報(bào)警、系統(tǒng)故障等事件，都提出了明確要求。最短時(shí)限要求為探測(cè)器報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間不得大于30秒。相對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求顯然較為寬松，這給了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者在兩者間權(quán)衡的余地。因此，對(duì)于程序中的I/O口處理指令，如測(cè)量信號(hào)采集和組件通訊指令，建議其中加入適當(dāng)?shù)目垢蓴_處理?？稍诓蓸佑?jì)算指令中加入軟件濾波算法來(lái)降低誤報(bào)警觸發(fā)幾率。對(duì)于產(chǎn)品的顯示器件，如LCD顯示器和指示燈，應(yīng)在程序中加入定時(shí)刷新指令，防止產(chǎn)品在受到干擾時(shí)發(fā)生顯示錯(cuò)誤。為避免騷擾信號(hào)進(jìn)入電路內(nèi)部造成單片機(jī)死機(jī)或程序跑飛，還應(yīng)在主程序中加入看門狗指令，定時(shí)復(fù)位單片機(jī)防止發(fā)生內(nèi)部故障或系統(tǒng)假死，減少試驗(yàn)期間發(fā)生系統(tǒng)組件故障的可能。

3 結(jié)語(yǔ)

GB 14287-2014系列標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為保證電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的整體質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者需要依照標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)電磁兼容試驗(yàn)的具體要求，從硬件和軟件兩個(gè)方面綜合提高其電磁兼容性能，使產(chǎn)品能夠?yàn)榻ㄖ秒姲踩峁╅L(zhǎng)期、可靠的技術(shù)保障，充分發(fā)揮電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)防作用。

作者簡(jiǎn)介

趙宇（1983-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人。公安部沈陽(yáng)消防研究所、助理研究員、天津大學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事消防電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)等工作。

作者單位

公安部沈陽(yáng)消防研究所 遼寧省沈陽(yáng)市 110034