電氣火災監控系統產品的電磁兼容性能設計

摘 要 本文介紹了電氣火災監控系統的系統組成和主要功能，以及產品標準中各項電磁兼容試驗及其技術要求。本文從產品硬件開發的角度給出了應對不同類型電磁干擾的設計思路，同時對產品的軟件設計提出了合理化建議，以有效應對不同類型的電磁兼容試驗。

【關鍵詞】電氣火災 型式試驗 電磁兼容EMC 硬件設計

1 電氣火災監控系統產品的EMC性能要求

電氣火災監控系統主要由電氣火災監控設備和各類電氣火災監控探測器組成，其作為火災自動報警系統的重要組成部分，對于預防電氣火災事故的發生起到重要的作用。其中，監控設備主要用于接收探測器工作狀態和采樣信號，顯示系統報警信息。各類探測器根據其測量物理參數的不同，分為剩余電流式、測溫式、故障電弧式和熱解粒子式等探測器，主要用于測量配電線路中與電氣火災成因相關的各類物理量，并實時向監控設備發送工作狀態和測量數據。

2014年國家頒布實施了新版的GB 14287-2014《電氣火災監控系統》系列標準，其中每部分標準分別對應于監控系統中的一種類型產品。GB 14287-2014系列標準對產品的電磁兼容性能提出了較高的技術要求，針對產品實際應用制定了多項電磁兼容性能試驗，用于測試產品對各類電磁干擾信號的抑制能力。產品標準中規定，在電磁兼容試驗期間，試驗樣品應保持正常工作狀態，不得出現誤報警、系統重啟、顯示或通訊失靈等情況發生。因此，制造商在產品設計開發的最初階段，就需要針對不同類型的電磁干擾建立合理的設計方案，以保證順利通過型式試驗。

2 EMC試驗項目及其應對策略

表1給出了型式試驗中的電磁兼容及電源波動試驗項目，其主要參考依據為GB/T 17626系列標準。

2.1 靜電放電抗擾度試驗（ESD）

靜電放電抗擾度試驗（ESD）主要考察產品對來自使用者的靜電放電，或者當鄰近物體發生靜電放電現象時，產品工作的可靠性。產品標準中規定的嚴酷等級為：接觸放電電壓6KV，空氣放電電壓8KV。靜電放電不僅能夠將干擾電流從金屬部件注入產品電路內部，其產生的高頻干擾信號也會耦合進入電路并影響其工作狀態。一般的設計方案是在產品的電源、I/O口和接地端之間連接一對快速、低容量的二極管，或直接并聯更為高效的瞬態抑制二極管（TVS）。建議在使用TVS管的同時再增加1個或多個高頻旁路電容器，放置在易損元件的電源和地之間。其次，電路的電源端應避免產生較大的電感，從而影響濾波電路對脈沖電流的防護。產品金屬外殼的有效接地至關重要，其電源地、信號地和金屬外殼應連接在一起形成系統接地。當外殼由多塊金屬結構件組成時，應保證金屬殼體的連續接地。

2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（EFT）

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（EFT）是模擬供電網絡中感性負載在斷開時，由于開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因在斷開處產生的瞬態騷擾。產品標準中規定，對電源端口的騷擾脈沖幅值電壓為2KV，對I/O口的騷擾脈沖幅值電壓為1KV。由于EFT騷擾信號能量小，信號頻率固定。因此，該試驗對于產品一般不會造成永久性損壞。但當脈沖信號群進入電路內部對其結電容持續充電，能量積累到一定程度后，還是會引起電路中控制單元的誤動作或觸發錯誤的IC片選信號導致故障發生。對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或共模電感。對于通訊或采樣功能的I/O信號端口，建議再加入信號濾波器，以防止騷擾信號進入電路內部的信號處理單元。

2.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗

浪涌（沖擊）抗擾度試驗主要模擬供電網絡中大電容器件的開關，以及雷電瞬態過電壓引起的單極性浪涌電壓沖擊。試驗采用注入方式、通過耦合/去耦網絡對產品的交流電源線和其他外部連接線進行浪涌沖擊干擾。浪涌試驗的沖擊能量大，很容易造成電路內部器件的擊穿損壞。一般的應對策略是，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，作為后一級防護器件。氣體放電管的承受電流很高，鉗位電壓很低，但響應時間較長。如果線路的工作電壓較高，會導致放電管工作時間延長，從而影響使用壽命。對于交流電源線路，一般將壓敏電阻串聯氣體放電管組成浪涌抑制網絡，同時在后端加入低通濾波器來消除殘余脈沖。此外，還應保證產品本身良好的接地。

2.4 射頻電磁場輻射抗擾度、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗

射頻電磁場和射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗主要模擬產品處于空間電磁場輻射下，以及電源線或其他外部線路與電磁場耦合所產生的電磁干擾。前一項試驗在微波暗室中、通過發射天線對產品進行頻率范圍為80M～1000MHz的空間電磁波干擾；后一項試驗則通過耦合/去耦裝置將頻率范圍為150k～80MHz的騷擾信號注入到產品線路中。工頻磁場抗擾度試驗主要模擬供電線路中工頻電流產生的穩定、低幅值磁場，以及供電線路或設備故障時產生的短時、高幅值磁場，磁場波形均為工頻正弦波。

在電氣火災監控系統中，探測器內部一般具有模擬信號電路和高精度的A/D轉換電路，且各類產品內部都具有獨立的時鐘和微處理器芯片。因此，制造商在產品設計之初就需要考慮以下幾個方面以提高產品在電磁干擾環境下的可靠性：

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

（2）I/O信號線路遠離時鐘和數字信號總線；

（3）對PCB的各功能部分合理分區、合理布線。模擬信號、數字信號和繼電器、大電流開關等部件之間要分開，元器件之間的引線要盡量短。信號線路不形成環路，減少電磁干擾信號的耦合；

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

（5）對干擾信號特別敏感的電路考慮加裝金屬屏蔽罩。

2.5 電壓暫降、短時中斷和電源波動試驗

電壓暫降、短時中斷試驗，和電源波動試驗主要模擬供電網絡由于短時故障或負荷突然增大所引起的供電電壓暫降或中斷，以及供電系統負荷變化或供電線路過長而導致的電壓波動或持續壓降，試驗主要針對AC220V供電產品。試驗條件分別為：供電電壓為40%額定電壓、持續時間為10個正弦波周期的電壓暫降試驗；供電電壓為0V、持續時間為1個正弦波周期的短時中斷試驗；以及供電電壓為85%～110%額定電壓的電壓波動試驗。對于配有備用電源的產品，電壓暫降和短時中斷雖然可能會對其供電造成影響，但由于試驗時間短，因此可以通過軟件濾波等手段使產品狀態保持穩定。對于探測器等無備用電源的產品，為了避免產品在試驗條件下出現重啟、顯示器件失靈等現象，一般會在其電源處加入穩壓濾波電容。此外，大功率產品一般建議采用開關電源或隔離變壓器作為穩壓裝置，而對于小型的探測器類產品，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 提高產品電磁兼容性能的軟件設計

設計合理的內部芯片程序，同樣能夠提高產品的抗干擾能力。標準中對于各類系統事件的響應時間，如探測器報警、系統故障等事件，都提出了明確要求。最短時限要求為探測器報警的響應時間不得大于30秒。相對于系統穩定性的要求，對系統響應速度的要求顯然較為寬松，這給了產品開發者在兩者間權衡的余地。因此，對于程序中的I/O口處理指令，如測量信號采集和組件通訊指令，建議其中加入適當的抗干擾處理。可在采樣計算指令中加入軟件濾波算法來降低誤報警觸發幾率。對于產品的顯示器件，如LCD顯示器和指示燈，應在程序中加入定時刷新指令，防止產品在受到干擾時發生顯示錯誤。為避免騷擾信號進入電路內部造成單片機死機或程序跑飛，還應在主程序中加入看門狗指令，定時復位單片機防止發生內部故障或系統假死，減少試驗期間發生系統組件故障的可能。

3 結語

GB 14287-2014系列標準的實施，為保證電氣火災監控系統產品的整體質量發揮了重要作用。產品設計者需要依照標準中的各項電磁兼容試驗的具體要求，從硬件和軟件兩個方面綜合提高其電磁兼容性能，使產品能夠為建筑用電安全提供長期、可靠的技術保障，充分發揮電氣火災監控系統的火災預防作用。

作者簡介

趙宇（1983-），男，遼寧省沈陽市人。公安部沈陽消防研究所、助理研究員、天津大學學士學位，主要從事消防電子產品標準化、產品檢測技術研究和標準檢測設備開發等工作。

作者單位

公安部沈陽消防研究所 遼寧省沈陽市 110034