電快速瞬變脈沖群測試原理及對策（一）

 一、快速瞬變脈沖群干擾機(jī)理

?
1.實(shí)驗(yàn)的目的

電快速瞬變脈沖群EFT試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證電子設(shè)備機(jī)械開關(guān)對電感性負(fù)載切換、繼電器觸點(diǎn)彈跳、高壓開關(guān)切換等引起的瞬時(shí)擾動(dòng)的抗干擾能力。這種試驗(yàn)方法是一種耦合到電源線路、控制線路、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗(yàn)。容易出現(xiàn)問題的場合有電力設(shè)備或監(jiān)控電網(wǎng)的設(shè)備、使用在工業(yè)自動(dòng)化上面的設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等檢測微弱信號設(shè)備。
 

?
2.干擾的特點(diǎn)

EFT的特點(diǎn)是上升時(shí)間快，持續(xù)時(shí)間短，能量低，但具有較高的重復(fù)頻率。EFT一般不會(huì)引起設(shè)備的損壞，但由于其干擾頻譜分布較寬，會(huì)對設(shè)備正常工作產(chǎn)生影響。其干擾機(jī)理為EFT對線路中半導(dǎo)體結(jié)電容單向連續(xù)充電累積，引起電路乃至設(shè)備的誤動(dòng)作。
 
1）電快速瞬變脈沖群測試及相關(guān)要求

不同的電子、電氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對EFT抗擾度試驗(yàn)的要**不同的，但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于EFT抗擾度試驗(yàn)大多都直接或間接引用GB/T17626.4這一電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。下面就簡要介紹一下該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。
 
2）信號發(fā)生器和試驗(yàn)波形

a）信號發(fā)生器

其中，U為高壓直流電源，Rc為充電電阻，Cc為儲(chǔ)能電容，Rs為內(nèi)部的放電電阻，Rm為阻抗匹配電阻，Cd為隔直電容，R0為外部的負(fù)載電阻，Cc的大小決定了單個(gè)脈沖的能量，Cc和Rs的配合決定了脈沖波的形狀（特別是脈沖的持續(xù)時(shí)間），Rm決定了脈沖群發(fā)生器的輸出阻抗（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是50Ω），Cd則隔離了脈沖群發(fā)生器輸出波形中的直流成分，免除了負(fù)載對脈沖群發(fā)生器工作的影響。
 ?
b）實(shí)驗(yàn)波形

試驗(yàn)發(fā)生器性能的主要指標(biāo)有三個(gè)：單個(gè)脈沖波形、脈沖的重復(fù)頻率和輸出電壓峰值。IEC 61000-4-4要求試驗(yàn)發(fā)生器輸出波形應(yīng)如圖1，2所示。
?
 
EFT是由間隔為300ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成，每一個(gè)脈沖串持續(xù)15ms，脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿5ns，持續(xù)時(shí)間50ns，重復(fù)頻率5kHz和100kHz。為了保證5kHz和100kHz注入的能量具有等效性，當(dāng)用100kHz的重復(fù)頻率代替5kHz時(shí)，EFT的持續(xù)時(shí)間從15ms縮減到0.75ms。傳統(tǒng)上使用5kHz的重復(fù)頻率，然而100kHz更接近實(shí)際情況。在電力上一般要求為100kHz。
 
c）干擾實(shí)驗(yàn)等級

受試設(shè)備的被試驗(yàn)部分主要包括設(shè)備的供電電源端口，保護(hù)接地，信號和控制端口。

?
                           圖4 脈沖群試驗(yàn)等級

需要注意，并不是信號和控制信號在相同測試等級下信號發(fā)生器輸出電壓就比對電源測試的電壓要低，實(shí)際信號發(fā)生器輸出的信號幅度是一致的，是由負(fù)載阻抗決定的。信號線一般阻抗為50歐，信號發(fā)生器內(nèi)有50串接電阻。所以信號測量電壓應(yīng)為0.5xVp（開路）。此電壓可以正負(fù)偏差10%。
 

?
3、耦合裝置

IEC 61000-4-4提供的耦合裝置有兩種：耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)和容性耦合夾。一般情況下，耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)主要用于電源端口試驗(yàn)，容性耦合夾主要用于I/O端口和通信端口試驗(yàn)。
 

?
4、耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的作用是將干擾信號耦合到受試設(shè)備并阻止干擾信號連接到同一電網(wǎng)中的不相干設(shè)備。
?
耦合脈沖干擾是通過33nF的電容，同時(shí)施加到L1、L2、L3、N、PE信號上。信號電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的機(jī)殼相連,機(jī)殼則接到參考接地端子上。這表明脈沖群干擾實(shí)際上是加在電源線與參考地之間,即加在電源線上的干擾是共模干擾。
 

?
5、容性耦合夾

對于采用耦合夾的試驗(yàn)來說,耦合夾能在受試設(shè)備各端口的端子、電纜屏蔽層或受試設(shè)備的其他部分無任何電連接的情況下把快速瞬變脈沖群耦合到受試線路上。電容耦合夾的結(jié)構(gòu)如圖？所示。試驗(yàn)中受試線路的電纜放在耦合夾的上下兩塊耦合板之間,耦合夾本身應(yīng)盡可能地合攏,以提供電纜和耦合夾之間的*大耦合電容。耦合夾與電纜之間的典型電容是50-200pf。

?


二、電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)失敗原因分析

?
1、從干擾施加方式分析

對電源線通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)施加EFT干擾時(shí)，信號發(fā)生器輸出的一端通過33nF的電容注入到被測電源線上，另外一端通過耦合單元的接地端子與大地相連；對信號/控制線通過容性耦合夾施加EFT干擾時(shí)，信號發(fā)生器輸出通過耦合板與受試電纜之間的分布電容進(jìn)入受試電纜，而受試電纜所接收到的脈沖是相對接地板而言的。這兩種干擾注入方式都是對大地的共模注入方式。因此，所有的差模抑制方法對此類干擾無能為力。
 

?
2、從干擾傳輸方式分析

脈沖群的單個(gè)脈沖波形前沿tr達(dá)到5ns，脈寬達(dá)到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)的波長為5m。

對于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度為1M，由于導(dǎo)線長度已經(jīng)可以和信號的波長可比，不能再以普通傳輸線來考慮，信號在線上的傳輸過程中，部分依然可以通過傳輸線進(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射），部分要從線上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實(shí)際上就是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。很明顯，傳導(dǎo)和輻射的比例和電源線長度相關(guān)，線路越短，傳導(dǎo)成分越多，而輻射比例越?。环粗椛浔壤痛?。單純對EFT干擾施加端口采取傳導(dǎo)干擾抑制（例如加濾波器）方式無法完全克服此類干擾的影響。
 

?
3、根據(jù)EFT干擾造成設(shè)備失效的機(jī)理分析

單個(gè)脈沖的能量較小，不會(huì)對設(shè)備造成故障。但由于EFT是持續(xù)一段時(shí)間的單極性脈沖串，它對設(shè)備線路結(jié)電容充電，經(jīng)過累積，*后達(dá)到并超過IC芯片的抗擾度電平，將引起數(shù)字系統(tǒng)的位錯(cuò)、系統(tǒng)復(fù)位、內(nèi)存錯(cuò)誤以及死機(jī)等現(xiàn)象。因此，線路出錯(cuò)會(huì)有個(gè)時(shí)間過程，而且會(huì)有一定偶然性和隨機(jī)性。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖還是一起施加脈沖設(shè)備更容易失效。也很難下結(jié)論設(shè)備對于正向脈沖和負(fù)向脈沖哪個(gè)更為敏感。測試結(jié)果與設(shè)備線纜布置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和脈沖參數(shù)、脈沖施加的組合等都有極大的相關(guān)性。而不能簡單認(rèn)為在EFT抗擾度試驗(yàn)中受試設(shè)備有一個(gè)門檻電平，干擾低于這個(gè)電平，設(shè)備工作正常；干擾高于這個(gè)電平，設(shè)備就失效。正是這種偶然性和隨機(jī)性給EFT對策的方式和對策部位的選擇增加了難度。同時(shí)，大多數(shù)電路為了抵抗瞬態(tài)干擾，在輸入端安裝了積分電路，這種電路對單個(gè)脈沖具有很好的抑制作用，但是對于一串脈沖則不能有效抑制。IEC61000-4-4新版標(biāo)準(zhǔn)在單組脈沖群注入受試設(shè)備的脈沖總量沒變（仍為75個(gè)）的情況下，將脈沖重復(fù)頻率從5kHz提高到100kHz，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖密集程度大大增加了。單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多，對結(jié)電容的電荷積累也越快，越容易達(dá)到線路出錯(cuò)的閾限。因此，新的標(biāo)準(zhǔn)把脈沖重復(fù)頻率提高，其本質(zhì)上也是將試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度提高。這樣能通過舊標(biāo)準(zhǔn)EFT測試的產(chǎn)品，在按照新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時(shí)未必能通過。
 

?
4、從EFT干擾的幅度分析

與其它瞬態(tài)脈沖一樣，EFT抗擾度測試時(shí)施加在被測線纜上的EFT脈沖幅度從幾百伏到數(shù)千伏。對付此類高壓大能量脈沖，僅依靠屏蔽、濾波和接地等普通電磁干擾抑制措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對此類脈沖應(yīng)先使用專用的脈沖吸收電路將脈沖干擾的能量和幅度降低到較低水平再采取其他的電磁干擾抑制措施，這樣才能使被測設(shè)備有效抵抗此類干擾。
 

?
5、從EFT干擾傳輸途徑分析

如圖3所示，EFT干擾主要通過以下幾種途徑干擾被測設(shè)備的正常工作，包括：

a）EFT干擾通過耦合單元進(jìn)入設(shè)備的電源線和控制信號線，在這些線纜上產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的共模脈沖噪聲并沿著這些線纜進(jìn)入被測設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)通過接口濾波器時(shí)干擾有所衰減，但依然有較高的干擾電壓進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部電源和PCB電路，影響PCB的正常工作。
b）同時(shí)，注入到電源線或信號控制線上的EFT干擾會(huì)在傳導(dǎo)的過程中向空間輻射，這些輻射能量感應(yīng)到鄰近的電纜上，通過這些電纜進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部對電路形成干擾，當(dāng)沒有對EUT所有連接電纜采取EFT防護(hù)措施時(shí)，較易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
c）注入到電源線或信號控制線上的EFT干擾進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后，直接通過空間輻射被PCB電路接收，對電路形成干擾。當(dāng)PCB接口上有良好濾波措施，但傳輸線纜與電路距離較近時(shí)，容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

?
 
 

三、電子產(chǎn)品通過電快速瞬變脈沖試驗(yàn)的對策

?
1、抑制EFT干擾的一般對策

從上一節(jié)分析我們可知，EFT干擾有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
a）EFT干擾以共模方式侵入敏感設(shè)備；
b）EFT干擾在傳遞過程中通過輻射和傳導(dǎo)兩種方式影響被測設(shè)備電路；
c）EFT干擾是由一組組的密集的單極性脈沖構(gòu)成，對敏感設(shè)備電路結(jié)點(diǎn)的影響具有連續(xù)累積性；
d）EFT干擾侵入敏感設(shè)備的頻率覆蓋中高頻頻率段，且電源端口的頻譜分量比信號端口低頻分量更豐富；
e）EFT干擾是一種典型的高壓快速脈沖干擾；f）EFT干擾主要通過三種路徑影響敏感設(shè)備電路：直接通過干擾線傳導(dǎo)進(jìn)入敏感設(shè)備電路；通過干擾線輻射到相鄰的干擾線，再從相鄰干擾線進(jìn)入敏感設(shè)備電路；通過干擾線輻射直接進(jìn)入敏感設(shè)備電路。

針對這些特點(diǎn)，我們采取的對策包括：
a）對直接傳導(dǎo)干擾應(yīng)以共模抑制為主；
b）為抑制傳導(dǎo)和輻射兩者途徑的干擾，我們除對端口線進(jìn)行濾波外，還需對敏感電路進(jìn)行屏蔽；
c）為了有效抑制這種密集的單極性脈沖，單純使用反射型電容、電感濾波會(huì)很快飽和，考慮到電源和信號傳遞RC類的吸收濾波器未必適用，較好的方式是利用高頻鐵氧體對高頻干擾呈阻性，能直接吸收高頻干擾并轉(zhuǎn)化為熱能的特性，來吸收此類干擾；
d）選擇傳輸線濾波電路應(yīng)覆蓋侵入的EFT干擾的頻譜范圍；
e）對EFT類共模的高壓快速脈沖干擾，若在干擾通道先采用對地的脈沖吸收器吸收大部分脈沖電壓和能量，再配合吸收式共模濾波器，可起到事半功倍的效果；
f）為了對EFT干擾侵入敏感設(shè)備的三條路徑都有較好的防范，我們除對干擾直接傳輸通道采取脈沖吸收和濾波，對空間輻射采取屏蔽等措施外，為防止EFT干擾通過空間輻射到非EFT干擾直接侵入的端口線，再從這些端口線侵入敏感設(shè)備，應(yīng)讓這些端口線與其他端口線加以空間分隔，并對些端口也采取適當(dāng)?shù)墓材８蓴_抑制措施。