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理

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1.實(shí)驗的目的

電快速瞬變脈沖群EFT試驗的目的是驗證電子設備機械開(kāi)關(guān)對電感性負載切換、繼電器觸點(diǎn)彈跳、高壓開(kāi)關(guān)切換等引起的瞬時(shí)擾動(dòng)的抗干擾能力。這種試驗方法是一種耦合到電源線(xiàn)路、控制線(xiàn)路、信號線(xiàn)路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。容易出現問(wèn)題的場(chǎng)合有電力設備或監控電網(wǎng)的設備、使用在工業(yè)自動(dòng)化上面的設備、醫療監護等檢測微弱信號設備。
 

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2.干擾的特點(diǎn)

EFT的特點(diǎn)是上升時(shí)間快，持續時(shí)間短，能量低，但具有較高的重復頻率。EFT一般不會(huì )引起設備的損壞，但由于其干擾頻譜分布較寬，會(huì )對設備正常工作產(chǎn)生影響。其干擾機理為EFT對線(xiàn)路中半導體結電容單向連續充電累積，引起電路乃至設備的誤動(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)品標準對EFT抗擾度試驗的要**不同的，但這些標準關(guān)于EFT抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.4這一電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進(jìn)行試驗。下面就簡(jiǎn)要介紹一下該標準的內容。
 
2）信號發(fā)生器和試驗波形

a）信號發(fā)生器

其中，U為高壓直流電源，Rc為充電電阻，Cc為儲能電容，Rs為內部的放電電阻，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（特別是脈沖的持續時(shí)間），Rm決定了脈沖群發(fā)生器的輸出阻抗（標準規定是50Ω），Cd則隔離了脈沖群發(fā)生器輸出波形中的直流成分，免除了負載對脈沖群發(fā)生器工作的影響。
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b）實(shí)驗波形

試驗發(fā)生器性能的主要指標有三個(gè)：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖波形、脈沖的重復頻率和輸出電壓峰值。IEC 61000-4-4要求試驗發(fā)生器輸出波形應如圖1，2所示。
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EFT是由間隔為300ms的連續脈沖串構成，每一個(gè)脈沖串持續15ms，脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿5ns，持續時(shí)間50ns，重復頻率5kHz和100kHz。為了保證5kHz和100kHz注入的能量具有等效性，當用100kHz的重復頻率代替5kHz時(shí)，EFT的持續時(shí)間從15ms縮減到0.75ms。傳統上使用5kHz的重復頻率，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)驗等級

受試設備的被試驗部分主要包括設備的供電電源端口，保護接地，信號和控制端口。

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                           圖4 脈沖群試驗等級

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，是由負載阻抗決定的。信號線(xiàn)一般阻抗為50歐，信號發(fā)生器內有50串接電阻。所以信號測量電壓應為0.5xVp（開(kāi)路）。此電壓可以正負偏差10%。
 

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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，容性耦合夾主要用于I/O端口和通信端口試驗。
 

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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備并阻止干擾信號連接到同一電網(wǎng)中的不相干設備。
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耦合脈沖干擾是通過(guò)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 )的機殼相連,機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(xiàn)與參考地之間,即加在電源線(xiàn)上的干擾是共模干擾。
 

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5、容性耦合夾

對于采用耦合夾的試驗來(lái)說(shuō),耦合夾能在受試設備各端口的端子、電纜屏蔽層或受試設備的其他部分無(wú)任何電連接的情況下把快速瞬變脈沖群耦合到受試線(xiàn)路上。電容耦合夾的結構如圖？所示。試驗中受試線(xiàn)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。

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二、電快速瞬變脈沖群試驗失敗原因分析

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1、從干擾施加方式分析

對電源線(xiàn)通過(guò)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(guò)33nF的電容注入到被測電源線(xiàn)上，另外一端通過(guò)耦合單元的接地端子與大地相連；對信號/控制線(xiàn)通過(guò)容性耦合夾施加EFT干擾時(shí)，信號發(fā)生器輸出通過(guò)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(lèi)干擾無(wú)能為力。
 

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2、從干擾傳輸方式分析

脈沖群的單個(gè)脈沖波形前沿tr達到5ns，脈寬達到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到1/πtr，亦即可以達到64MHz左右，相應的波長(cháng)為5m。

對于一根載有60MHz以上頻率的電源線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果長(cháng)度為1M，由于導線(xiàn)長(cháng)度已經(jīng)可以和信號的波長(cháng)可比，不能再以普通傳輸線(xiàn)來(lái)考慮，信號在線(xiàn)上的傳輸過(guò)程中，部分依然可以通過(guò)傳輸線(xiàn)進(jìn)入受試設備（傳導發(fā)射），部分要從線(xiàn)上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設備（輻射發(fā)射）。因此，受試設備受到的干擾實(shí)際上就是傳導與輻射的結合。很明顯，傳導和輻射的比例和電源線(xiàn)長(cháng)度相關(guān)，線(xiàn)路越短，傳導成分越多，而輻射比例越??；反之輻射比例就大。單純對EFT干擾施加端口采取傳導干擾抑制（例如加濾波器）方式無(wú)法完全克服此類(lèi)干擾的影響。
 

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3、根據EFT干擾造成設備失效的機理分析

單個(gè)脈沖的能量較小，不會(huì )對設備造成故障。但由于EFT是持續一段時(shí)間的單極性脈沖串，它對設備線(xiàn)路結電容充電，經(jīng)過(guò)累積，*后達到并超過(guò)IC芯片的抗擾度電平，將引起數字系統的位錯、系統復位、內存錯誤以及死機等現象。因此，線(xiàn)路出錯會(huì )有個(gè)時(shí)間過(guò)程，而且會(huì )有一定偶然性和隨機性。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖還是一起施加脈沖設備更容易失效。也很難下結論設備對于正向脈沖和負向脈沖哪個(gè)更為敏感。測試結果與設備線(xiàn)纜布置、設備運行狀態(tài)和脈沖參數、脈沖施加的組合等都有極大的相關(guān)性。而不能簡(jiǎn)單認為在EFT抗擾度試驗中受試設備有一個(gè)門(mén)檻電平，干擾低于這個(gè)電平，設備工作正常；干擾高于這個(gè)電平，設備就失效。正是這種偶然性和隨機性給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新版標準在單組脈沖群注入受試設備的脈沖總量沒(méi)變（仍為75個(gè)）的情況下，將脈沖重復頻率從5kHz提高到100kHz，單位時(shí)間內的脈沖密集程度大大增加了。單位時(shí)間內的脈沖個(gè)數越多，對結電容的電荷積累也越快，越容易達到線(xiàn)路出錯的閾限。因此，新的標準把脈沖重復頻率提高，其本質(zhì)上也是將試驗的嚴酷程度提高。這樣能通過(guò)舊標準EFT測試的產(chǎn)品，在按照新標準進(jìn)行測試時(shí)未必能通過(guò)。
 

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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(xiàn)纜上的EFT脈沖幅度從幾百伏到數千伏。對付此類(lèi)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遠不夠的。對此類(lèi)脈沖應先使用專(zhuān)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，這樣才能使被測設備有效抵抗此類(lèi)干擾。
 

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5、從EFT干擾傳輸途徑分析

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

a）EFT干擾通過(guò)耦合單元進(jìn)入設備的電源線(xiàn)和控制信號線(xiàn)，在這些線(xiàn)纜上產(chǎn)生高達數千伏的共模脈沖噪聲并沿著(zhù)這些線(xiàn)纜進(jìn)入被測設備內部，當通過(guò)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)入設備內部電源和PCB電路，影響PCB的正常工作。
b）同時(shí)，注入到電源線(xiàn)或信號控制線(xiàn)上的EFT干擾會(huì )在傳導的過(guò)程中向空間輻射，這些輻射能量感應到鄰近的電纜上，通過(guò)這些電纜進(jìn)入設備內部對電路形成干擾，當沒(méi)有對EUT所有連接電纜采取EFT防護措施時(shí)，較易出現這種現象。
c）注入到電源線(xiàn)或信號控制線(xiàn)上的EFT干擾進(jìn)入設備內部后，直接通過(guò)空間輻射被PCB電路接收，對電路形成干擾。當PCB接口上有良好濾波措施，但傳輸線(xiàn)纜與電路距離較近時(shí)，容易出現這種現象。

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三、電子產(chǎn)品通過(guò)電快速瞬變脈沖試驗的對策

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1、抑制EFT干擾的一般對策

從上一節分析我們可知，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備；
b）EFT干擾在傳遞過(guò)程中通過(guò)輻射和傳導兩種方式影響被測設備電路；
c）EFT干擾是由一組組的密集的單極性脈沖構成，對敏感設備電路結點(diǎn)的影響具有連續累積性；
d）EFT干擾侵入敏感設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(guò)三種路徑影響敏感設備電路：直接通過(guò)干擾線(xiàn)傳導進(jìn)入敏感設備電路；通過(guò)干擾線(xiàn)輻射到相鄰的干擾線(xiàn)，再從相鄰干擾線(xiàn)進(jìn)入敏感設備電路；通過(guò)干擾線(xiàn)輻射直接進(jìn)入敏感設備電路。

針對這些特點(diǎn)，我們采取的對策包括：
a）對直接傳導干擾應以共模抑制為主；
b）為抑制傳導和輻射兩者途徑的干擾，我們除對端口線(xiàn)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(lèi)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化為熱能的特性，來(lái)吸收此類(lèi)干擾；
d）選擇傳輸線(xiàn)濾波電路應覆蓋侵入的EFT干擾的頻譜范圍；
e）對EFT類(lèi)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(guò)空間輻射到非EFT干擾直接侵入的端口線(xiàn)，再從這些端口線(xiàn)侵入敏感設備，應讓這些端口線(xiàn)與其他端口線(xiàn)加以空間分隔，并對些端口也采取適當的共模干擾抑制措施。