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快速瞬变脉冲群测试的要点及对策
点击次数:14569 发布时间:2012-10-11
一:引言
  
脉冲群抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.4(2008),它等同于国际标准IEC61000-4-4。该标准对EFT的定义、工作原理、测量方法及试验发生器等进行了详细的规定,成为其它相关标准引用和参考的基础.脉冲群抗扰度试验是一种使用较为普遍的抗扰度试验项目,同时也是在所有抗扰度试验项目中属于比较难做,比较难于通过的一个试验项目。本文通过综合其他研究者的研究成果并结合自己多年的检验工作实践,针对EFT对电子产品的不同影响特点,提出相应的对策方案供相关产品设计人员参考。
二: 脉冲群瞬变干扰的形成原理
  2.1 GB/T17626.4认为EFT是由于感性负载在断开或接通时,因开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等缘故,在开关处会产生一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。当感性负载多次重复通断,则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。产生此类脉冲的原因包括:小型感性负载切换、继电器触电跳动(传导干扰);高压开关装置切换(辐射干扰)。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。
下图是供电线路、机械开关和电感性负载(图中用一个继电器带铁芯的电感线圈作代表,其中L2是铁芯线圈本身的电感量,R是电感线图的内阻,C2是线圈匝间和层间的集中参数等效电容)组成的小系统.
 
  正常工作时,开关S闭合,继电器铁芯线圈有稳态电流流过,使继电器处在工作状态。一旦开关S断开,上述现象将不复存在。但考虑到继电器铁芯线圈本身是一个电感,根据电感性负载电流不能突变的原理,开关S的断开使主回路的电流实际上是被切断了,这时继电器铁芯线圈的电流连续性问题只能靠自身来解决了,亦即继电器的铁芯线圈中的能量通过向分布电容转移的方式来保持铁芯线圈中电流的连续性。这一过程应当符合能量守恒的原理。即有(计算中未计入铁芯线圈的内阻R),1/2×L2I21/2×C2U2 另外转换中的自谐振频率为
f1/2π(L2C21/2
  今假定继电器铁芯线圈流过的稳态电流I70mA,线圈的电感L21H,存在于继电器绕组的层间和匝间的分布电容C250pF。则可以算得开关S断开瞬间可能出现在铁芯线圈两端的电压峰值为UIL2/C21/23130.5V
转换中的自谐振频率为
f1/2π(L2C21/2)= 7.118kHz
分析表明,开关S断开瞬间,可在继电器的铁芯线圈上产生高频衰减振荡(因绕组本身存在电阻)。电压的幅值非常高,与供电电压相比,后者可以不计,因此,感应出来的高电压将直接出现在开关动静触点的两边.
进一步分析可以知道,在开关触点刚打开的瞬间,动静触点间的距离还很近,实际上用不着达到3130.5V,只要在继电器绕组感生出较低电压,就可以引起刚被打开的动静触点间的空气击穿,这便是*次电弧的形成过程。一旦在开关触点间产生电弧,动静触点瞬间变为等电位,亦即在供电线路上产生一个高电压。与此同时,继电器绕组的分布电容C2要通过电弧、供电线路和供电电源进行放电,由于放电的时间常数很小,因此放电很快结束,本次放电的电弧也就阻断,而在供电线路上可以见到一个非常短暂的小脉冲。这时整个电路又回复到继电器绕组电感L2中能量向分布电容C2的转移,继电器绕组两端第2次出现高压。由于动静触点的距离在逐渐拉大,尽管第2次触点间的放电可以形成,但放电电压要适当提高,放电的等待时间将适当增长。以上情况将要一次次继续,放电电压一次次提高,放电间隔时间一次次增长,直到触点间的距离大到使分布电容C2上的电压不能击穿为止。
  所以,平时在机械开关切换电感性负载时看到的电弧放电,实际上是在供电线路中产生一连串的高压窄脉冲。这里供电线路的分布电感L1起到阻挡脉冲、不被电源短路的作用。这些高压窄脉冲将直接耦合被干扰设备的到电源线和地线,并且可以通过电感和电容的耦合,间接耦合到信号电缆,形成严重的干扰.
 
2.2 EFT测试及相关要求
EF T抗 扰 度试验适用于在住宅区、商业区、工业区使用的各类电子、电气设备。测试时将EFT耦合到设备的电源端口、信号和控制端口以检验设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。
2.2.1试验发生器性能指标和试验波形
试验发生器的性能指标有:单个脉冲波形、脉冲重复频率和输出电压峰值,如图1, 2所示。测量脉冲群由间隔为300 ms的连续脉冲串构成,每一个脉冲串持续ms,由数个单极性的单个脉冲波形组成,单个脉冲的上升沿5 ns,持续时间50ns,重复频率5 kHz或100kHz(对4kV测试等级)。其频谱是从2.5/5 kHz-100 MHz的离散谱线。IEC 61000-4-4: 2004把重复频率提高到5 kHz和100 kHz(优选100 kHz)并取消了2.5 kHz,使得测试更加切合实际的干扰情况。此时频谱为100 kHz-100 MHz的离散谱线。新版的GB/T 17626.4以取代当前有效版本GB/T 17626.4: 1998
 
 
2.2.2试验等级及其选择
GB /T17626.4用表格的形式列出了EFT试验等级及分别针对供电电源端口、保护接地以及1/0(输人/输出)信号、数据和控制端口对相应的电压峰值和重复频率。对具体产品EFT试验等级的选择一般在相应的产品或产品族标准中加以规定。GB/T 17626.4也在附录中给出了一个试验等级选择指引,它可作为产品或产品族标准等级选择的参考,也作为没有相关标准时等级选择的依据。
 
2.2.3试验布置及实施
标准对实验室EFT型式试验布置和现场试验布置进行了完整的描述和详细的说明。测试时样品处于正常工作状态,根据端口类型选择相应的试验等级和耦合方式。根据其端口及其组合,依次施加试验电压。
对电源端子选择耦合/去耦网络施加干扰,耦合电容为33 nF。对1/0信号、数据和控制端口选择专用容性耦合夹施加干扰,等效耦合电容约为100-1000 pF(对IEC 61000一4一4:2004,为100-1000pF)。
对电源端口,应通过耦合/去耦网络在每一根传输线及传输线各种组合与地之间施加EFT干扰。一般来说电源端口必须进行测试。对信号控制端口,一般将连接电缆整体放人容性耦合夹进行测试。哪些端口需进行测试由产品或产品族标准规定。每种组合应在正、负两种脉冲极性下分别进行,每种测试状态持续时间不少于1 min。不同的产品或产品族标准对试验实施可根据产品的特点有特别的规定。
三EFT试验失败原因分析
3.1 从干扰施加方式分析
对电源线施加EFT干扰时,信号发生器输出的一端通过33nF的电容注人到被测线上,另一
端通过耦合单元的接地端子与大地相连;对信号/控制线施加EFT干扰时,信号发生器输出通过耦合夹与受试电缆之间的分布电容进人受试电缆。这两种干扰注人都属于对大地的共模注人方式,所有的差模抑制方法对此类干扰无能为力。
3.2 从干扰传输方式分析
EFT干扰脉冲含有极其丰富的高频成分,沿线缆传输时,会有一部分干扰能量从线缆中向周围空间辐射,从而进人受试设备,这样受试设备zui终受到的是传导和辐射的复合干扰。因此单纯对EFT干扰施加端口采取传导干扰抑制方式不能完全克服干扰的影响。
3.3 根据EFT干扰造成设备失效的机理分析
EFT单个脉冲能量较小,一般不会对设备造成影响。但它是持续一段时间的单极性脉冲串,会对设备半导体结电容充电产生累积,zui后达到并超过芯片抗扰度电平时,甚至会造成数字系统的位错、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,而且会有一定的偶然性和随机性。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。为了抵抗瞬态干扰,大多数电路都在输入端安装积分电路,这对单个脉冲具有很好的抑制作用,但是对于脉冲串则不能有效地抑制。新版IEC61000-4-4将脉冲重复频率从5k Hz提高到100 kHz,单位时间内的脉冲密集程度大大增加,对结电容的电荷积累越快,也就越容易达到线路出错的阂限。因此,新的标准把脉冲重复频率提高,实际上就是将试验的严酷程度提高。
3.4 EFT耦合单元参数分析
对电源端口,耦合电容为33n F;而信号控制电缆等效耦合电容为100 -1000 Pf,对于33 nF耦合电容,下限截止频率为100 kHz, EFT脉冲的频谱范围为100 kHz-100 MHz;对于200 pF/1 000 pF的耦合电容,下限截止频率为15 MHz/3 MHz, EFT脉冲频谱范围为15 MHz/3-100 MHz。由此可知EFT干扰中的低频成分较难被耦合到被测设备上。
以上分析是基于负载阻抗为50n系统。电源端口输人阻抗一般会远低于50,其频谱范围低端会较100 kHz大;对控制信号端口输人阻抗一般会大于50,其频谱范围低端会较巧MHz/3 MHz小。被测设备实际得到的两种干扰频谱的差别并不太大,但电源端口耦合的干扰能量远大于信号控制端口。人侵频谱范围还取决于被干扰端口的输人阻抗,对于不同的产品、不同的端口,实际测得的干扰频谱还会有较大的差异。
3.5 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。
3.6 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:
3.6.1E F T 干扰通过耦合单元进人设备电源线和控制信号线,并沿着这些线缆进入被测设备;虽然通过接口滤波器时有所衰减,但依然有较高的干扰电压进人设备内部,影响电路的正常工作。
3.6.2 线 缆 上的干扰同时会在传导过程中向空间辐射,被邻近电缆接收并进入设备内部对电路形成干扰,当没有对EUT所有的连接电缆采取防护措施时,较易出现这种互扰现象。
3.6.3 线 缆 干扰进人设备内部后,直接通过空间辐射被内部电路接收,对电路形成干扰。当PCB接口上有滤波措施,但线缆与电路距离较近时,容易出现这种现象。
四 电子产品通过EFT试验的对策
4.1 EFT干扰的一般对策
我们可采取的对策包括:1)对直接传导干扰以共模抑制为主;2)为抑制传导和辐射两种途径的干扰,除对端口进行滤波外,还需对敏感电路进行屏蔽;3)为了抑制密集单极性脉冲群,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采用RC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并转化为热能来吸收此类干扰;4)选择传输线滤波电路应覆盖侵入的EFT干扰的频谱范围;5) 对EFT干扰,若在干扰通道先采用对地的脉冲吸收器来吸收大部分的脉冲电压和能量,再配合吸收式共模滤波器,可起到事半功倍的效果;6)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和隔离等措施外,为防止EFT干扰通过空间辐射到其它端口线再从该线侵人敏感设备,应对干扰端口线与其它端口线进行空间分隔,并对其它端口也采取适当的共模干扰抑制措施。
4.2 EFT干扰传输环路
EFT 干扰传输环路如图4所示。EFT是共模干扰,必须通过大地回路来完成整个干扰环路。
EFT干扰源通过传导或辐射以共模方式进人敏感设备电源线或控制信号线,再通过这些线缆以传导或辐射方式进人敏感设备的内部电路。若EUT为金属外壳,PCB上的干扰通过PCB与金属外壳间的杂散电容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的杂散电容C2传输到大地;若EUT为非金属外壳,PCB上的干扰通过PCB与大地之间较小的杂散电容C3传输到大地,由大地返回干扰源,完成整个干扰环路。
 
4.3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的电源线人口处安装瞬态脉冲吸收器和吸收型电源线共模滤波器以阻止干扰进人被测设备。下面根据被测样品的外壳性质,分两种情况进行讨论。
4.3.1被测设备的机箱为金属制品
金属外壳隔离了EFT干扰的空间辐射,有效地保护了内部电路,应着重解决传导干扰问题。如图 4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连电源插座,正常工作时该线有较大的电感,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电源端EFT抗扰能力的作用并不明显。
处理方法是在金属机箱的电源人口处加装共模滤波器,滤波器的金属外壳与金属机箱直接连接成为一个整体,并通过机箱将滤波器输人、输出电源线隔离。共模滤波器能将EFT干扰导人机箱再通过C2导人大地,并通过大地回到干扰源。由于滤波器中共模滤波电容受漏电流的限制,容量较小,对EFT干扰中较低的频率成分主要依靠共模扼流电感抑制。此处应选择铁氧体吸收式共模扼流圈。选择滤波器时要注意滤波器的抑制干扰带宽应覆盖EFT干扰带宽。
EFT干扰属高压瞬态脉冲干扰,测试等级较高时,产生的电流很容易使共模电感饱和,且其密集的单极性脉冲也容易使共模电容饱和,这时应让输人电源先通过对地(实际为金属外壳)脉冲吸收器吸收大部分的脉冲电压和能量,再配合滤波器就能较好地抑制干扰。当被测设备电源端口还需通过浪涌测试时,为兼顾两个项目的测试需求,脉冲吸收器可选择氧化锌压敏电阻,该电阻对瞬态脉冲具有ins级的响应时间;当被测设备电源端口只需抑制
EFT脉冲时,硅瞬变电压吸收二极管(TVs)是zui佳选择,它对瞬态脉冲的响应时间<1 nso
4.3.2被测设备的机箱为非金属制品
如图4所示,耦合进设备的EFT干扰只能通过内部电路与大地之间较小的杂散电容C3耦合进大地,被测样品电路对地会有较大的EFT干扰电压存在。因此,须在电路底部加一块金属板以增加设备对地的杂散电容,如图5所示,供脉冲吸收器和滤波器接地。脉冲吸收器、电源滤波器、电源模块以及PCB都安装在该金属平板的上面,电源模块和电源滤波器的金属外壳与金属平板紧密连接。金属平板的作用等效于4.3.1节的金属外壳,EFT干扰电流通过金属平板与大地之间的杂散电容回到干扰源。脉冲吸收器与电源滤波器的要求与4.3.1节相同。
       如果设备尺寸较小,金属板不能起到好的旁路作用,在这种情况下可取消金属板,主要靠滤波器中的共模电感发挥作用。必要时可用多个电感串联以展宽共模电感的抑制频谱范围,保证滤波效果。
由于没有金属外壳屏蔽,滤波器前的电源线上的干扰会通过空间辐射进人设备内部。此时,脉冲吸收器和电源滤波器应放在靠近设备的外壳处。防止电源线与内部电路通过空间耦合传递EFT干扰。
4.4针对信号线试验应采取的措施
与电源端的耦合网络注人方式相比,对信号和控制线EFT脉冲采用容性耦合夹注人,注人脉冲的频谱范围较窄,注人能量也较低。下面就信号控制线在几种不同情况下的对策分别进行介绍。
4.4.1被测设备的机箱为金属制品
由于 EFT干扰脉冲采用容性耦合夹注人电缆,zui佳对策是将被测电缆屏蔽起来。若被测样品为金属外壳且接地,被测电缆在穿过金属外壳处将屏蔽层与金属外壳3600环接,EFT干扰通过该连接导人金属外壳,干扰的中高频分量通过外壳与大地之间的杂散电容耦合到大地,EFT干扰的低频分量通过外壳的接地线导人大地,并从大地返回干扰源。对没有保护接地线连接外壳的设备,EFT干扰的低频成分可能会对被测设备电路产生干扰,因此,补充接地线可以有效地克服这类干扰。
若屏蔽层有EFT干扰电流,则部分高频干扰会耦合到屏蔽电缆的内部信号线上。穿过金属外壳的信号控制线应在外壳接口处加装适当的信号线共模滤波器(吸收型)。若滤波器的共模电容对信号的传输有影响,则可以通过降低或取消共模电容、提高共模扼流圈吸收能力来达到目的。在实际使用时,需要注意调整扼流圈的匝数,必要时用两个不同匝数的扼流圈串联起来,兼顾高频和低频要求。
若被测信号的控制电缆不便更换为屏蔽电缆,则干扰直接进人线缆内的每一根传输线上,此时可采取类似4.3.1节的方法,在线缆入口处加装瞬态脉冲吸收器与信号线共模滤波器。安装方式与4.3.1节相同。瞬态脉冲吸收器的选择原则与4.3.1节相同,其耐压选择应与端口的工作电压相适应。滤波器抑制的频谱范围应能覆盖电缆上注入的EFT干扰频谱。若此时瞬态脉冲吸收器的结电容和滤波器的共模电容对信号传输有影响,可选择结电容较小的瞬态脉冲吸收器并降低或取消共模电容。若此时的瞬态脉冲吸收器依然影响电缆中的高速信号传输,则只能去掉它并将普通电缆换为屏蔽电缆。
4.4.2被测设备的机箱为非金属制品
可按照4 .3.2节的方式,在机箱底部加一块金属平板,如图5所示,从而有效地增加设备对大地的杂散电容,并让被测设备的保护接地线与金属平板相连。接地线所起的作用与4.4.1节相同。
若将电缆屏蔽起来,也可以较好地抑制EFT干扰。屏蔽电缆进人设备后,屏蔽层通过直接固定的方式与金属平板连接,穿出金属屏蔽层的信号线以zui短距离与直接安装在金属平板上的滤波器连接。该滤波器与4.4.1节的相应滤波器要求相同。
若被测电缆不便更换为屏蔽电缆,可按照4.4.1相应的处理方法在电缆人口处加装瞬态脉冲吸收器与信号线共模滤波器。其参数要求与4.4.1相同,安装要求与4.3.2节相同。若瞬态脉冲吸收器的结电容和滤波器的共模电容对信号传输有影响,可采取与4.4.1节相同的处理措施。
由于没有金属外壳屏蔽,滤波器前的信号控制线上的干扰会通过空间辐射进人设备内部,处理方法请参考4.3.2节相关部分。当通过空间远离的方法依然不能防止空间辐射干扰时,只能对敏感电路进行局部屏蔽,屏蔽体应该是一个完整的六面体。
4.5其它端口的防护措施
EFT抗扰度测试中,并非所有的外部信号控制端口都需进行测试。对那些连接电缆比较短的端口,实际使用过程中不易直接耦合大的EFT干扰,所以标准不对这些端口提出测试要求。若我们按上述要求对关键端口采取相应的抑制措施,被测线上的干扰还会向空间辐射,被其它未采取措施的端口线缆接收,并耦合进被测设备的内部而形成干扰。因此,应针对这些端口采取必要的抑制措施。由于这类EFT干扰为频率比较高、幅度比较小的共模干扰,只需在这些端口线进人被测设备人口处采用信号线共模抑制滤波器,就能起到较好的抑制
效果。滤波器的抑制频率范围应与端口感应到的EFT干扰频谱相适应且外壳应与金属机壳或金属平板良好地连接。若端口传输的信号为敏感信号,建议采用屏蔽绞线,屏蔽层与金属机壳或金属平板良好的连接。
4.6其它EFT干扰抑制措施
以上主要是在EFT注人端口及外壳和接口上采取措施。除了这些外部措施,提高被测设备内部电路抗干扰能力也是非常必要的。从元器件选择、电路设计、排版布局、PCB设计、屏蔽、滤波、接地设计等方面遵循EMC设计的通用要求和设计原则,即可较好地满足测试对内部电路的要求,这是产品EMC设计非常重要的内容,也是普通EMC设计书籍文章的主要组成部分。
五: 总结
EFT干扰广泛存在于日常用电的环境中,而电子类产品中存在大量对EFT干扰非常敏感的模拟和数字电路,因此,绝大多数电子产品的EMC抗扰度测量项目都包括EFT抗扰度测试。EFT干扰有较为独特的地方,因此,在电子产品设计中,除了要符合一般的EMC抗扰度设计规则外,还需针对EFT干扰特点,采取相应的对策措施。将EMC通用设计要求与EFT抑制的特定要求相结合,可以为电子产品通过EFT抗扰度测试提供有效的保障。
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