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          快速瞬變脈沖群測試的要點及對策
          點擊次數:16347 發布時間:2012-10-11
          一:引言
            
          脈沖群抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.4(2008),它等同于標準IEC61000-4-4。該標準對EFT的定義、工作原理、測量方法及試驗發生器等進行了詳細的規定,成為其它相關標準引用和參考的基礎.脈沖群抗擾度試驗是一種使用較為普遍的抗擾度試驗項目,同時也是在所有抗擾度試驗項目中屬于比較難做,比較難于通過的一個試驗項目。本文通過綜合其他研究者的研究成果并結合自己多年的檢驗工作實踐,針對EFT對電子產品的不同影響特點,提出相應的對策方案供相關產品設計人員參考。
          二: 脈沖群瞬變干擾的形成原理
            2.1 GB/T17626.4認為EFT是由于感性負載在斷開或接通時,因開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等緣故,在開關處會產生一連串的暫態脈沖(脈沖群)騷擾。當感性負載多次重復通斷,則脈沖群又會以相應的時間間隙多次重復出現。產生此類脈沖的原因包括:小型感性負載切換、繼電器觸電跳動(傳導干擾);高壓開關裝置切換(輻射干擾)。EFT的特點是上升時間快,持續時間短,能量低,但具有較高的重復頻率。EFT一般不會引起設備的損壞,但由于其干擾頻譜分布較寬,會對設備正常工作產生影響。其干擾機理為EFT對線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作。
          下圖是供電線路、機械開關和電感性負載(圖中用一個繼電器帶鐵芯的電感線圈作代表,其中L2是鐵芯線圈本身的電感量,R是電感線圖的內阻,C2是線圈匝間和層間的集中參數等效電容)組成的小系統.
           
            正常工作時,開關S閉合,繼電器鐵芯線圈有穩態電流流過,使繼電器處在工作狀態。一旦開關S斷開,上述現象將不復存在。但考慮到繼電器鐵芯線圈本身是一個電感,根據電感性負載電流不能突變的原理,開關S的斷開使主回路的電流實際上是被切斷了,這時繼電器鐵芯線圈的電流連續性問題只能靠自身來解決了,亦即繼電器的鐵芯線圈中的能量通過向分布電容轉移的方式來保持鐵芯線圈中電流的連續性。這一過程應當符合能量守恒的原理。即有(計算中未計入鐵芯線圈的內阻R),1/2×L2I21/2×C2U2 另外轉換中的自諧振頻率為
          f1/2π(L2C21/2
            今假定繼電器鐵芯線圈流過的穩態電流I70mA,線圈的電感L21H,存在于繼電器繞組的層間和匝間的分布電容C250pF。則可以算得開關S斷開瞬間可能出現在鐵芯線圈兩端的電壓峰值為UIL2/C21/23130.5V
          轉換中的自諧振頻率為
          f1/2π(L2C21/2)= 7.118kHz
          分析表明,開關S斷開瞬間,可在繼電器的鐵芯線圈上產生高頻衰減振蕩(因繞組本身存在電阻)。電壓的幅值非常高,與供電電壓相比,后者可以不計,因此,感應出來的高電壓將直接出現在開關動靜觸點的兩邊.
          進一步分析可以知道,在開關觸點剛打開的瞬間,動靜觸點間的距離還很近,實際上用不著達到3130.5V,只要在繼電器繞組感生出較低電壓,就可以引起剛被打開的動靜觸點間的空氣擊穿,這便是*次電弧的形成過程。一旦在開關觸點間產生電弧,動靜觸點瞬間變為等電位,亦即在供電線路上產生一個高電壓。與此同時,繼電器繞組的分布電容C2要通過電弧、供電線路和供電電源進行放電,由于放電的時間常數很小,因此放電很快結束,本次放電的電弧也就阻斷,而在供電線路上可以見到一個非常短暫的小脈沖。這時整個電路又回復到繼電器繞組電感L2中能量向分布電容C2的轉移,繼電器繞組兩端第2次出現高壓。由于動靜觸點的距離在逐漸拉大,盡管第2次觸點間的放電可以形成,但放電電壓要適當提高,放電的等待時間將適當增長。以上情況將要一次次繼續,放電電壓一次次提高,放電間隔時間一次次增長,直到觸點間的距離大到使分布電容C2上的電壓不能擊穿為止。
            所以,平時在機械開關切換電感性負載時看到的電弧放電,實際上是在供電線路中產生一連串的高壓窄脈沖。這里供電線路的分布電感L1起到阻擋脈沖、不被電源短路的作用。這些高壓窄脈沖將直接耦合被干擾設備的到電源線和地線,并且可以通過電感和電容的耦合,間接耦合到信號電纜,形成嚴重的干擾.
           
          2.2 EFT測試及相關要求
          EF T抗 擾 度試驗適用于在住宅區、商業區、工業區使用的各類電子、電氣設備。測試時將EFT耦合到設備的電源端口、信號和控制端口以檢驗設備在遭受這類暫態騷擾影響時的性能。
          2.2.1試驗發生器性能指標和試驗波形
          試驗發生器的性能指標有:單個脈沖波形、脈沖重復頻率和輸出電壓峰值,如圖1, 2所示。測量脈沖群由間隔為300 ms的連續脈沖串構成,每一個脈沖串持續ms,由數個單極性的單個脈沖波形組成,單個脈沖的上升沿5 ns,持續時間50ns,重復頻率5 kHz或100kHz(對4kV測試等級)。其頻譜是從2.5/5 kHz-100 MHz的離散譜線。IEC 61000-4-4: 2004把重復頻率提高到5 kHz和100 kHz(優選100 kHz)并取消了2.5 kHz,使得測試更加切合實際的干擾情況。此時頻譜為100 kHz-100 MHz的離散譜線。新版的GB/T 17626.4以取代當前有效版本GB/T 17626.4: 1998
           
           
          2.2.2試驗等級及其選擇
          GB /T17626.4用表格的形式列出了EFT試驗等級及分別針對供電電源端口、保護接地以及1/0(輸人/輸出)信號、數據和控制端口對相應的電壓峰值和重復頻率。對具體產品EFT試驗等級的選擇一般在相應的產品或產品族標準中加以規定。GB/T 17626.4也在附錄中給出了一個試驗等級選擇指引,它可作為產品或產品族標準等級選擇的參考,也作為沒有相關標準時等級選擇的依據。
           
          2.2.3試驗布置及實施
          標準對實驗室EFT型式試驗布置和現場試驗布置進行了完整的描述和詳細的說明。測試時樣品處于正常工作狀態,根據端口類型選擇相應的試驗等級和耦合方式。根據其端口及其組合,依次施加試驗電壓。
          對電源端子選擇耦合/去耦網絡施加干擾,耦合電容為33 nF。對1/0信號、數據和控制端口選擇容性耦合夾施加干擾,等效耦合電容約為100-1000 pF(對IEC 61000一4一4:2004,為100-1000pF)。
          對電源端口,應通過耦合/去耦網絡在每一根傳輸線及傳輸線各種組合與地之間施加EFT干擾。一般來說電源端口必須進行測試。對信號控制端口,一般將連接電纜整體放人容性耦合夾進行測試。哪些端口需進行測試由產品或產品族標準規定。每種組合應在正、負兩種脈沖極性下分別進行,每種測試狀態持續時間不少于1 min。不同的產品或產品族標準對試驗實施可根據產品的特點有特別的規定。
          三EFT試驗失敗原因分析
          3.1 從干擾施加方式分析
          對電源線施加EFT干擾時,信號發生器輸出的一端通過33nF的電容注人到被測線上,另一
          端通過耦合單元的接地端子與大地相連;對信號/控制線施加EFT干擾時,信號發生器輸出通過耦合夾與受試電纜之間的分布電容進人受試電纜。這兩種干擾注人都屬于對大地的共模注人方式,所有的差模抑制方法對此類干擾無能為力。
          3.2 從干擾傳輸方式分析
          EFT干擾脈沖含有極其豐富的高頻成分,沿線纜傳輸時,會有一部分干擾能量從線纜中向周圍空間輻射,從而進人受試設備,這樣受試設備zui終受到的是傳導和輻射的復合干擾。因此單純對EFT干擾施加端口采取傳導干擾抑制方式不能完全克服干擾的影響。
          3.3 根據EFT干擾造成設備失效的機理分析
          EFT單個脈沖能量較小,一般不會對設備造成影響。但它是持續一段時間的單極性脈沖串,會對設備半導體結電容充電產生累積,zui后達到并超過芯片抗擾度電平時,甚至會造成數字系統的位錯、復位、內存錯誤以及死機等現象。因此,線路出錯會有個時間過程,而且會有一定的偶然性和隨機性。測試結果與設備線纜布置、設備運行狀態和脈沖參數、脈沖施加的組合等都有極大的相關性。為了抵抗瞬態干擾,大多數電路都在輸入端安裝積分電路,這對單個脈沖具有很好的抑制作用,但是對于脈沖串則不能有效地抑制。新版IEC61000-4-4將脈沖重復頻率從5k Hz提高到100 kHz,單位時間內的脈沖密集程度大大增加,對結電容的電荷積累越快,也就越容易達到線路出錯的閡限。因此,新的標準把脈沖重復頻率提高,實際上就是將試驗的嚴酷程度提高。
          3.4 EFT耦合單元參數分析
          對電源端口,耦合電容為33n F;而信號控制電纜等效耦合電容為100 -1000 Pf,對于33 nF耦合電容,下限截止頻率為100 kHz, EFT脈沖的頻譜范圍為100 kHz-100 MHz;對于200 pF/1 000 pF的耦合電容,下限截止頻率為15 MHz/3 MHz, EFT脈沖頻譜范圍為15 MHz/3-100 MHz。由此可知EFT干擾中的低頻成分較難被耦合到被測設備上。
          以上分析是基于負載阻抗為50n系統。電源端口輸人阻抗一般會遠低于50,其頻譜范圍低端會較100 kHz大;對控制信號端口輸人阻抗一般會大于50,其頻譜范圍低端會較巧MHz/3 MHz小。被測設備實際得到的兩種干擾頻譜的差別并不太大,但電源端口耦合的干擾能量遠大于信號控制端口。人侵頻譜范圍還取決于被干擾端口的輸人阻抗,對于不同的產品、不同的端口,實際測得的干擾頻譜還會有較大的差異。
          3.5 EFT干擾的幅度分析
          與其它瞬態脈沖一樣,EFT抗擾度測試時施加在被測線纜上的EFT脈沖幅度從幾百伏到數千伏。
          3.6 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備:
          3.6.1E F T 干擾通過耦合單元進人設備電源線和控制信號線,并沿著這些線纜進入被測設備;雖然通過接口濾波器時有所衰減,但依然有較高的干擾電壓進人設備內部,影響電路的正常工作。
          3.6.2 線 纜 上的干擾同時會在傳導過程中向空間輻射,被鄰近電纜接收并進入設備內部對電路形成干擾,當沒有對EUT所有的連接電纜采取防護措施時,較易出現這種互擾現象。
          3.6.3 線 纜 干擾進人設備內部后,直接通過空間輻射被內部電路接收,對電路形成干擾。當PCB接口上有濾波措施,但線纜與電路距離較近時,容易出現這種現象。
          四 電子產品通過EFT試驗的對策
          4.1 EFT干擾的一般對策
          我們可采取的對策包括:1)對直接傳導干擾以共模抑制為主;2)為抑制傳導和輻射兩種途徑的干擾,除對端口進行濾波外,還需對敏感電路進行屏蔽;3)為了抑制密集單極性脈沖群,單純使用反射型電容、電感濾波會很快飽和,考慮到電源和信號傳遞采用RC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并轉化為熱能來吸收此類干擾;4)選擇傳輸線濾波電路應覆蓋侵入的EFT干擾的頻譜范圍;5) 對EFT干擾,若在干擾通道先采用對地的脈沖吸收器來吸收大部分的脈沖電壓和能量,再配合吸收式共模濾波器,可起到事半功倍的效果;6)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和隔離等措施外,為防止EFT干擾通過空間輻射到其它端口線再從該線侵人敏感設備,應對干擾端口線與其它端口線進行空間分隔,并對其它端口也采取適當的共模干擾抑制措施。
          4.2 EFT干擾傳輸環路
          EFT 干擾傳輸環路如圖4所示。EFT是共模干擾,必須通過大地回路來完成整個干擾環路。
          EFT干擾源通過傳導或輻射以共模方式進人敏感設備電源線或控制信號線,再通過這些線纜以傳導或輻射方式進人敏感設備的內部電路。若EUT為金屬外殼,PCB上的干擾通過PCB與金屬外殼間的雜散電容C1或直接通過接地端子傳輸到金屬外殼,再通過金屬外殼與大地之間的雜散電容C2傳輸到大地;若EUT為非金屬外殼,PCB上的干擾通過PCB與大地之間較小的雜散電容C3傳輸到大地,由大地返回干擾源,完成整個干擾環路。
           
          4.3針對電源線試驗的措施
          解決電源線EFT干擾問題的主要方法是在被測設備的電源線人口處安裝瞬態脈沖吸收器和吸收型電源線共模濾波器以阻止干擾進人被測設備。下面根據被測樣品的外殼性質,分兩種情況進行討論。
          4.3.1被測設備的機箱為金屬制品
          金屬外殼隔離了EFT干擾的空間輻射,有效地保護了內部電路,應著重解決傳導干擾問題。如圖 4所 示,金屬機箱與大地之間有較大的雜散電容C2,能夠為EFT共模電流提供比較固定的通路。若被測樣品有保護接地線連電源插座,正常工作時該線有較大的電感,也應作為被測線之一通過網絡耦合EFT干擾,并與電源插座保護地端通過去耦網絡進行隔離,對干擾成分阻抗較大。因此,僅靠改善電源線中保護接地的方法對提高被測樣品電源端EFT抗擾能力的作用并不明顯。
          處理方法是在金屬機箱的電源人口處加裝共模濾波器,濾波器的金屬外殼與金屬機箱直接連接成為一個整體,并通過機箱將濾波器輸人、輸出電源線隔離。共模濾波器能將EFT干擾導人機箱再通過C2導人大地,并通過大地回到干擾源。由于濾波器中共模濾波電容受漏電流的限制,容量較小,對EFT干擾中較低的頻率成分主要依靠共模扼流電感抑制。此處應選擇鐵氧體吸收式共模扼流圈。選擇濾波器時要注意濾波器的抑制干擾帶寬應覆蓋EFT干擾帶寬。
          EFT干擾屬高壓瞬態脈沖干擾,測試等級較高時,產生的電流很容易使共模電感飽和,且其密集的單極性脈沖也容易使共模電容飽和,這時應讓輸人電源先通過對地(實際為金屬外殼)脈沖吸收器吸收大部分的脈沖電壓和能量,再配合濾波器就能較好地抑制干擾。當被測設備電源端口還需通過浪涌測試時,為兼顧兩個項目的測試需求,脈沖吸收器可選擇氧化鋅壓敏電阻,該電阻對瞬態脈沖具有ins級的響應時間;當被測設備電源端口只需抑制
          EFT脈沖時,硅瞬變電壓吸收二極管(TVs)是*選擇,它對瞬態脈沖的響應時間<1 nso
          4.3.2被測設備的機箱為非金屬制品
          如圖4所示,耦合進設備的EFT干擾只能通過內部電路與大地之間較小的雜散電容C3耦合進大地,被測樣品電路對地會有較大的EFT干擾電壓存在。因此,須在電路底部加一塊金屬板以增加設備對地的雜散電容,如圖5所示,供脈沖吸收器和濾波器接地。脈沖吸收器、電源濾波器、電源模塊以及PCB都安裝在該金屬平板的上面,電源模塊和電源濾波器的金屬外殼與金屬平板緊密連接。金屬平板的作用等效于4.3.1節的金屬外殼,EFT干擾電流通過金屬平板與大地之間的雜散電容回到干擾源。脈沖吸收器與電源濾波器的要求與4.3.1節相同。
                 如果設備尺寸較小,金屬板不能起到好的旁路作用,在這種情況下可取消金屬板,主要靠濾波器中的共模電感發揮作用。必要時可用多個電感串聯以展寬共模電感的抑制頻譜范圍,保證濾波效果。
          由于沒有金屬外殼屏蔽,濾波器前的電源線上的干擾會通過空間輻射進人設備內部。此時,脈沖吸收器和電源濾波器應放在靠近設備的外殼處。防止電源線與內部電路通過空間耦合傳遞EFT干擾。
          4.4針對信號線試驗應采取的措施
          與電源端的耦合網絡注人方式相比,對信號和控制線EFT脈沖采用容性耦合夾注人,注人脈沖的頻譜范圍較窄,注人能量也較低。下面就信號控制線在幾種不同情況下的對策分別進行介紹。
          4.4.1被測設備的機箱為金屬制品
          由于 EFT干擾脈沖采用容性耦合夾注人電纜,*對策是將被測電纜屏蔽起來。若被測樣品為金屬外殼且接地,被測電纜在穿過金屬外殼處將屏蔽層與金屬外殼3600環接,EFT干擾通過該連接導人金屬外殼,干擾的中高頻分量通過外殼與大地之間的雜散電容耦合到大地,EFT干擾的低頻分量通過外殼的接地線導人大地,并從大地返回干擾源。對沒有保護接地線連接外殼的設備,EFT干擾的低頻成分可能會對被測設備電路產生干擾,因此,補充接地線可以有效地克服這類干擾。
          若屏蔽層有EFT干擾電流,則部分高頻干擾會耦合到屏蔽電纜的內部信號線上。穿過金屬外殼的信號控制線應在外殼接口處加裝適當的信號線共模濾波器(吸收型)。若濾波器的共模電容對信號的傳輸有影響,則可以通過降低或取消共模電容、提高共模扼流圈吸收能力來達到目的。在實際使用時,需要注意調整扼流圈的匝數,必要時用兩個不同匝數的扼流圈串聯起來,兼顧高頻和低頻要求。
          若被測信號的控制電纜不便更換為屏蔽電纜,則干擾直接進人線纜內的每一根傳輸線上,此時可采取類似4.3.1節的方法,在線纜入口處加裝瞬態脈沖吸收器與信號線共模濾波器。安裝方式與4.3.1節相同。瞬態脈沖吸收器的選擇原則與4.3.1節相同,其耐壓選擇應與端口的工作電壓相適應。濾波器抑制的頻譜范圍應能覆蓋電纜上注入的EFT干擾頻譜。若此時瞬態脈沖吸收器的結電容和濾波器的共模電容對信號傳輸有影響,可選擇結電容較小的瞬態脈沖吸收器并降低或取消共模電容。若此時的瞬態脈沖吸收器依然影響電纜中的高速信號傳輸,則只能去掉它并將普通電纜換為屏蔽電纜。
          4.4.2被測設備的機箱為非金屬制品
          可按照4 .3.2節的方式,在機箱底部加一塊金屬平板,如圖5所示,從而有效地增加設備對大地的雜散電容,并讓被測設備的保護接地線與金屬平板相連。接地線所起的作用與4.4.1節相同。
          若將電纜屏蔽起來,也可以較好地抑制EFT干擾。屏蔽電纜進人設備后,屏蔽層通過直接固定的方式與金屬平板連接,穿出金屬屏蔽層的信號線以zui短距離與直接安裝在金屬平板上的濾波器連接。該濾波器與4.4.1節的相應濾波器要求相同。
          若被測電纜不便更換為屏蔽電纜,可按照4.4.1相應的處理方法在電纜人口處加裝瞬態脈沖吸收器與信號線共模濾波器。其參數要求與4.4.1相同,安裝要求與4.3.2節相同。若瞬態脈沖吸收器的結電容和濾波器的共模電容對信號傳輸有影響,可采取與4.4.1節相同的處理措施。
          由于沒有金屬外殼屏蔽,濾波器前的信號控制線上的干擾會通過空間輻射進人設備內部,處理方法請參考4.3.2節相關部分。當通過空間遠離的方法依然不能防止空間輻射干擾時,只能對敏感電路進行局部屏蔽,屏蔽體應該是一個完整的六面體。
          4.5其它端口的防護措施
          EFT抗擾度測試中,并非所有的外部信號控制端口都需進行測試。對那些連接電纜比較短的端口,實際使用過程中不易直接耦合大的EFT干擾,所以標準不對這些端口提出測試要求。若我們按上述要求對關鍵端口采取相應的抑制措施,被測線上的干擾還會向空間輻射,被其它未采取措施的端口線纜接收,并耦合進被測設備的內部而形成干擾。因此,應針對這些端口采取必要的抑制措施。由于這類EFT干擾為頻率比較高、幅度比較小的共模干擾,只需在這些端口線進人被測設備人口處采用信號線共模抑制濾波器,就能起到較好的抑制
          效果。濾波器的抑制頻率范圍應與端口感應到的EFT干擾頻譜相適應且外殼應與金屬機殼或金屬平板良好地連接。若端口傳輸的信號為敏感信號,建議采用屏蔽絞線,屏蔽層與金屬機殼或金屬平板良好的連接。
          4.6其它EFT干擾抑制措施
          以上主要是在EFT注人端口及外殼和接口上采取措施。除了這些外部措施,提高被測設備內部電路抗干擾能力也是非常必要的。從元器件選擇、電路設計、排版布局、PCB設計、屏蔽、濾波、接地設計等方面遵循EMC設計的通用要求和設計原則,即可較好地滿足測試對內部電路的要求,這是產品EMC設計非常重要的內容,也是普通EMC設計書籍文章的主要組成部分。
          五: 總結
          EFT干擾廣泛存在于日常用電的環境中,而電子類產品中存在大量對EFT干擾非常敏感的模擬和數字電路,因此,絕大多數電子產品的EMC抗擾度測量項目都包括EFT抗擾度測試。EFT干擾有較為獨特的地方,因此,在電子產品設計中,除了要符合一般的EMC抗擾度設計規則外,還需針對EFT干擾特點,采取相應的對策措施。將EMC通用設計要求與EFT抑制的特定要求相結合,可以為電子產品通過EFT抗擾度測試提供有效的保障。
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