快速脉冲群测试原理及对策

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。