快速脉冲群测试原理及对策.doc

快速脉冲群测试原理及对策 快速瞬变脉冲群干扰机理 实验的目的 电快速瞬变脉冲群 EFT 试验的目的是验证电子设备机械开关对电感性负载切换、继电器触点弹跳、高压开关切换等引起的瞬时扰动的抗干扰能力。这种试验方法是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。容易出现问题的场合有电力设备或监控电网的设备、使用在工业自动化上面的设备、医疗监护等检测微弱信号设备。 2.干扰的特点 EFT的特点是上升时间快，持续时间短，能量低，但具有较高的重复频率。EFT一般不会引起设备的损坏，但由于其干扰频谱分布较宽，会对设备正常工作产生影响。其干扰机理为EFT对线路中半导体结电容单向连续充电累积，引起电路乃至设备的误动作。 1. 电快速瞬变脉冲群测试及相关要求 不同的电子、电气产品标准对EFT 抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于EFT 抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.4 这一电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容。 2.生器和试验波形 a.信号发生器 图1 信号发生器 其中，U为高压直流电源，Rc为充电电阻，Cc为储能电容，Rs为内部的放电电阻，Rm为阻抗匹配电阻，Cd为隔直电容，R0为外部的负载电阻，Cc的大小决定了单个脉冲的能量，Cc和Rs的配合决定了脉冲波的形状（特别是脉冲的持续时间），Rm决定了脉冲群发生器的输出阻抗（标准规定是50Ω），Cd则隔离了脉冲群发生器输出波形中的直流成分，免除了负载对脉冲群发生器工作的影响。 B.实验波形 试验发生器性能的主要指标有三个：单个脉冲波形、脉冲的重复频率和输出电压峰值。 GB/T 17626.4 要求试验发生器输出波形应如图1，2 所示。 图2 快速脉冲群概略图 图3 接50欧负载时单个脉冲波形 EFT 是由间隔为300ms 的连续脉冲串构成，每一个脉冲串持续15ms，脉冲波形组成，单个脉冲的上升沿5ns，持续时间50ns，重复频率5kHz 和 100kHz。为了保证5kHz 和100kHz 注入的能量具有等效性，当用100kHz 的重复频率代替5kHz 时，EFT的持续时间从15ms 缩减到0.75ms。传统上使用5kHz的重复频率，然而100 kHz更接近实际情况。在电力上一般要求为100 kHz。 C.干扰实验等级 受试设备的被试验部分主要包括设备的供电电源端口，保护接地，信号和控制端口。 图4 测试电压峰值 需要注意，并不是信号和控制信号在相同测试等级下信号发生器输出电压就比对电源测试的电压要低，实际信号发生器输出的信号幅度是一致的，是由负载阻抗决定的。信号线一般阻抗为50欧，信号发生器内有50串接电阻。所以信号测量电压应为0.5xVp（开路）。此电压可以正负偏差10%。 耦合装置 GB/T17626.4提供的耦合装置有两种：耦合/去耦网络和容性耦合夹。一般情况下，耦合/去耦网络主要用于电源端口试验，容性耦合夹主要用于I/O端口和通信端口试验。 耦合/去耦网络。 耦合/去耦网络的作用是将干扰信号耦合到受试设备并阻止干扰信号连接到同一电网中的不相干设备。 图5耦合装置 耦合脉冲干扰是通过33nF的电容，同时施加到L1、L2、L3、N、PE信号上。信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连, 机壳则接到参考接地端子上。这表明脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考地之间, 即加在电源线上的干扰是共模干扰。 容性耦合夹。 对于采用耦合夹的试验来说, 耦合夹能在受试设备各端口的端子、电缆屏蔽层或受试设备的其他部分无任何电连接的情况下把快速瞬变脉冲群耦合到受试线路上。电容耦合夹的结构如图？所示。试验中受试线路的电缆放在耦合夹的上下两块耦合板之间, 耦合夹本身应尽可能地合拢, 以提供电缆和耦合夹之间的最大耦合电容。耦合夹与电缆之间的典型电容是50-200pf。 图6容性耦合夹 电快速瞬变脉冲群试验失败原因分析 从干扰施加方式分析 对电源线通过耦合/去耦网络施加EFT 干扰时，信号发生器输出的一端通过33nF 的电容注入到被测电源线上，另外一端通过耦合单元的接地端子与大地相连；对信号/控制线通过容性耦合夹施加EFT 干扰时，信号发生器输出通过耦合板与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆，而受试电缆所接收到的脉冲是相对接地板而言的。这两种干扰注入方式都是对大地的共模注入方式。因此，所有的差模抑制方法对此类干扰无能为力。 从干扰传输方式分析 脉冲群的单个脉冲波形前沿tr达到5ns，脉宽达到50ns，这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到1/πtr，亦即可以达到64MHz左右，相应的波长为5m。 对于一根载有60MHz以上频率的电源线来说，如果长度为1M，由于导线长度已经可以和信号的波长可比，不能再以普通传输线来考虑，信号在线上的传输过程中，部分依然可以通过传输线进入受试设备（传导发射），部分要从线上逸出，成为辐射信号进入受试设备（辐射发射）。因此，受试设备受到的干扰实际上就是传导与辐射的结合。很明显，传导和辐射的比例和电源线长度相关，线路越短，传导成分越多，而辐射比例越小；反之辐射比例就大。单纯对EFT 干扰施加端口采取传导干扰抑制（例如加滤波器）方式无法完全克服此类干扰的影响。 根据EFT 干扰造成设备失效的机理分析 单个脉冲的能量较小，不会对设备造成故障。但由于EFT 是持续一段时间的单极性脉冲串，它对设备线路结电容充电，经过累积，最后达到并超过IC 芯片的抗扰度电平，将引起数字系统的位错、系统复位、内存错误以及死机等现象。因此，线路出错会有个时间过程，而且会有一定偶然性和随机性。而且很难判断究竟是分别施加脉冲还是一起施加脉冲设备更容易失效。也很难下结论设备对于正向脉冲和负向脉冲哪个更为敏感。测试结果与设备线缆布置、设备运行状态和脉冲参数、脉冲施加的组合等都有极大的相关性。而不能简单认为在EFT 抗扰度试验中受试设备有一个门槛电平，干扰低于这个电平，设备工作正常；干扰高于这个电平，设备就失效。正是这种偶然性和随机性给EFT 对策的方式和对策部位的选择增加了难度。同时，大多数电路为了抵抗瞬态干扰，在输入端安装了积分电路，这种电路对单个脉冲具有很好的抑制作用，但是对于一串脉冲则不能有效抑制。 IEC61000-4-4 新版标准在单组脉冲群注入受试设备的脉冲总量没变（仍为 75 个）的情况下，将脉冲重复频率从5kHz 提高到100kHz，单位时间内的脉冲密集程度大大增加了。单位时间内的脉冲个数越多，对结电容的电荷积累也越快，越容易达到线路出错的阈限。因此，新的标准把脉冲重复频率提高，其本质上也是将试验的严酷程度提高。这样能通过旧标准EFT 测试的产品，在按照新标准进行测试时未必能通过。 从EFT 干扰的幅度分析 与其它瞬态脉冲一样，EFT 抗扰度测试时施加在被测线缆上的EFT 脉冲幅度从几百伏到数千伏。对付此类高压大能量脉冲，仅依靠屏蔽、滤波和接地等普通电磁干扰抑制措施是远远不够的。对此类脉冲应先使用专用的脉冲吸收电路将脉冲干扰的能量和幅度降低到较低水平再采取其他的电磁干扰抑制措施，这样才能使被测设备有效抵抗此类干扰。 从EFT 干扰传输途径分析 如图3 所示，EFT 干扰主要通过以下几种途径干扰被测设备的正常工作，包括： a） EFT 干扰通过耦合单元进入设备的电源线和控制信号线，在这些线缆上产生高达数千 伏的共模脉冲噪声并沿着这些线缆进入被测设备内部，当通过接口滤波器时干扰有所衰减，但依然有较高的干扰电压进入设备内部电源和PCB 电路，影响PCB 的正常工作。 b） 同时，注入到电源线或信号控制线上的EFT 干扰会在传导的过程中向空间辐射，这些 辐射能量感应到邻近的电缆上，通过这些电缆进入设备内部对电路形成干扰，当没有对EUT 所有连接电缆采取EFT 防护措施时，较易出现这种现象。 c）注入到电源线或信号控制线上的 EFT 干扰进入设备内部后，直接通过空间辐射被PCB 电路接收，对电路形成干扰。当PCB 接口上有良好滤波措施，但传输线缆与电路距离较近时，容易出现这种现象。 图7EFT测试失败原因分析示意图 电子产品通过电快速瞬变脉冲试验的对策 抑制EFT 干扰的一般对策 从上一节分析我们可知，EFT 干扰有以下几个特点： a）EFT 干扰以共模方式侵入敏感设备； b）EFT 干扰在传递过程中通过辐射和传导两种方式影响被测设备电路； c）EFT 干扰是由一组组的密集的单极性脉冲构成，对敏感设备电路结点的影响具有连续累积性； d）EFT 干扰侵入敏感设备的频率覆盖中高频频率段，且电源端口的频谱分量比信号端口低频分量更丰富； e）EFT 干扰是一种典型的高压快速脉冲干扰； f）EFT 干扰主要通过三种路径影响敏感设备电路：直接通过干扰线传导进入敏感设备电路；通过干扰线辐射到相邻的干扰线，再从相邻干扰线进入敏感设备电路；通过干扰线辐射直接进入敏感设备电路。 针对这些特点，我们采取的对策包括： a）对直接传导干扰应以共模抑制为主； b）为抑制传导和辐射两者途径的干扰，我们除对端口线进行滤波外，还需对敏感电路进行屏蔽； c）为了有效抑制这种密集的单极性脉冲，单纯使用反射型电容、电感滤波会很快饱和，考虑到电源和信号传递RC 类的吸收滤波器未必适用，较好的方式是利用高频铁氧体对高频干扰呈阻性，能直接吸收高频干扰并转化为热能的特性，来吸收此类干扰； d）选择传输线滤波电路应覆盖侵入的EFT 干扰的频谱范围； e）对EFT 类共模的高压快速脉冲干扰，若在干扰通道先采用对地的脉冲吸收器吸收大部分脉冲电压和能量，再配合吸收式共模滤波器，可起到事半功倍的效果； f）为了对 EFT 干扰侵入敏感设备的三条路径都有较好的防范，我们除对干扰直接传输通 道采取脉冲吸收和滤波，对空间辐射采取屏蔽等措施外，为防止 EFT 干扰通过空间辐射到非EFT 干扰直接侵入的端口线，再从这些端口线侵入敏感设备，应让这些端口线与其他端口线加以空间分隔，并对些端口也采取适当的共模干扰抑制措施。 EFT 干扰传输环路 图8 所示为EFT 干扰传输环路。EFT 是共模干扰，它必须通过大地回路完成整个干扰环路。 EFT 干扰源通过传导或空间辐射以共模方式进入敏感设备电源线或控制信号线，通过这些线缆以传导或辐射方式进入敏感设备内部PCB 电路。若EUT 为金属外壳，PCB 上的EFT 干扰通过PCB 与金属外壳间杂散电容C1 或直接通过接地端子传输到金属外壳，再通过金属外壳与大地之间杂散电容C2 传输到大地，由大地返回EFT 干扰源。若EUT 为非金属外壳，PCB 上的EFT 干扰通过PCB 与大地之间较小的杂散电容C3 传输到大地，由大地返回EFT 干扰源。完成整个干扰环路。 图8EFT干扰传输环路示意图 针对电源线试验的措施 解决电源线EFT 干扰问题的主要方法是在被测设备电源线入口处安装瞬态脉冲吸收器和吸收型的共模电源线滤波器，阻止EFT 干扰进入被测设备。 下面根据被测样品外壳的性质不同分两种情况进行讨论。 被测设备的机箱是金属的： 当被测设备机箱为金属材料时，如图8 所示，金属机箱与大地之间有较大的杂散电容C2，能够为EFT 共模电流提供比较固定的通路。若被测样品有保护接地线通过电源插座与大地连接，由于正常工作时设备与大地间的接地线具有较大的电感，因此电源线中的保护接地线也应作为被测线之一，通过网络耦合EFT 干扰，并与电源插座保护地端通过去耦网络进行隔离，对EFT 高频干扰成分阻抗较大。因此，仅靠改善电源线中保护接地的方法对提高被测样品的电源端EFT 抗扰性作用不明显。 处理方法是在金属机箱电源入口处加装由共模电感和共模电容构成的电源滤波器，该滤波器金属外壳与金属机箱直接连接成为一