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电快速瞬变脉冲群EFT试验机理、失败原因分析及

作者:天博 发布时间:2020-11-22 04:24 点击:

  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。

  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。

  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。

  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50),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。

  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。IEC 61000-4-4要求试验发生器输出波形应如图1,2所示。

  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100kHz更接近实际情况。在电力上一般要求为100kHz。

  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。

  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%。

  IEC 61000-4-4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。

  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。

  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。

  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。

  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/tr,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M,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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;

  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。

  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。

  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。

  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个整体,并通过机箱将滤波器输入、输出电源线进行隔离。共模滤波电容能将EFT干扰导入机箱再通过其杂散电容C2导入大地,通过大地回到干扰源。由于电源线滤波器中共模滤波电容受漏电流限制,容量较小,对EFT干扰中较低的频率成分主要依靠共模电感抑制。因此共模电感的选择很关键,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。

  由于EFT干扰属高压瞬态脉冲干扰,当EFT测试等级较高时,其高压脉冲产生的大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,这时应让输入电源先通过对地(实际为金属外壳)脉冲吸收器,通过脉冲吸收器吸收大部分脉冲电压和能量,再配合由共模电感和共模电容构成滤波器,就能较好地抑制EFT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(对220V交流电源供电产品,压敏电阻选470V系列),它对瞬态脉冲具有纳秒级的响应时间;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)是最佳选择(对220V交流电源供电产品,可选择350V系列),它对瞬态脉冲的响应时间小于1纳秒。脉冲吸收器是两端器件,一端与每根输入电源线相连,另一端在金属外壳的电源输入处与外壳相连,使脉冲吸收器吸收的能量通过其杂散电容C2导入大地,通过大地回到干扰源。

  通过以上的方式,在电源入口处将EFT干扰通过金属机壳直接耦合到大地,从而避免了EFT干扰通过电源端口进入内部电路,对设备造成影响;同时,金属外壳也有效地保护了内部电路,隔离了在外部电源线上的EFT干扰的空间辐射。

  当被测设备机箱为非金属材料时,如图8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,从而影响其正常工作。此时,必须在机箱底部加一块金属板,有效地增加了设备对大地的杂散电容,如图9所示,在设备内部,脉冲吸收器、电源滤波器、电源模块以及PCB板都安装在该金属平板上面,电源模块和电源滤波器的金属外壳与金属平板紧密连接,金属平板作为被测设备的公共参考平面。这时的金属平板的作用等效于金属外壳,EFT干扰电流通过金属平板与大地之间的杂散电容形成通路,回到干扰源。

  如果设备的尺寸较小,则金属板尺寸也较小,这时金属板与大地之间的杂散电容量较小,不能起到较好的干扰旁路作用。在这种情况下,脉冲吸收器和滤波器中的共模电容作用有限,主要靠滤波器中共模电感发挥作用。此时,需要采用各种措施提高电感滤波特性,必要时可用多个电感串联,展宽共模电感的抑制频率范围,保证滤波效果。

  对此类被测设备还需留意的是,由于没有金属外壳屏蔽,滤波器之前的电源线上的EFT干扰会通过空间辐射进入被测设备内部电路,从而形成干扰。此时,脉冲吸收器和电源滤波器应放在靠近设备外壳处,电源线进入设备外壳后立即与脉冲吸收器和电源滤波器连接。防止机箱内多余的带EFT干扰电源线与内部电路通过空间耦合传递EFT干扰。

  对信号和控制线进行EFT抗扰度测试时,EFT脉冲采用容性耦合夹共模方式注入,与电源端的耦合网络注入方式相比,注入EFT脉冲的频谱范围较窄;注入能量也较低。信号和控制线注入是针对整条电缆进行,不再对电缆内部各传输线分别注入或局部组合注入。下面就信号控制线注入在几种不同情况下的对策进行分别介绍。

  由于EFT抗扰度测试干扰脉冲采用容性耦合夹注入信号控制电缆。消除此类干扰耦合的最佳方法是将被测电缆屏蔽起来。若被测样品的外壳为金属外壳且接地,被测电缆在穿过金属外壳处将屏蔽层与金属外壳360度环接,通过容性耦合夹进入被测电缆屏蔽层的EFT干扰通过该连接导入金属外壳,此时,EFT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入大地,并从大地返回干扰源。对没有保护接地线的被测设备,EFT干扰的低频成分可能会对被测设备电路产生干扰。此时,补充接地线可以有效克服这类干扰。

  对信号控制端口进行测试时,被测设备的电源端口是直接与电源连接的,连接金属外壳的保护接地线不再像电源端口测试那样通过耦合/去耦网络而是直接与插座的保护地线连接,能有效吸收EFT干扰的低频成分。其作用是非常明显的。

  若屏蔽层有EFT干扰电流流通,则部分高频干扰会耦合到屏蔽电缆的内部信号线上。此时穿过金属外壳的信号控制线应在外壳接口处加装由适当的共模扼流圈(该共模扼流圈可由所有信号线在一个高频磁环上同向并绕3到10圈构成)和对外壳的共模电容构成的信号线滤波器。若共模电容对信号传输有影响,可以通过降低或取消共模电容同时提高共模扼流圈的吸收能力来达到目的。共模扼流圈实际是一种低通滤波器,只有当电感量足够大时,才能对EFT干扰的低频成分有效果。但是当扼流圈的电感量较大时(往往匝数较多),杂散电容也较大,扼流圈的高频抑制效果降低。因此,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扼流圈串联起来,兼顾高频和低频的要求。

  若被测信号控制电缆无法或不便更换为屏蔽电缆,则EFT干扰直接进入到线缆内部的每一根传输线上,此时可采取类似电源线处理方法,在信号控制线缆进入金属外壳入口处加装瞬态脉冲吸收器与信号线共模滤波器。瞬态脉冲吸收器选择原则与电源线处理方法相同,其耐压选择应与端口的工作电压相适应。信号线共模滤波器抑制的频率范围应能覆盖电缆上注入的EFT干扰频率范围。若此时瞬态脉冲吸收器的结电容和共模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同时提高共模扼流圈的吸收能力来达到目的。若结电容较小的瞬态脉冲吸收器依然影响电缆中的高速信号传输时,则只能去掉瞬态脉冲吸收器并将普通电缆换为屏蔽电缆。

  当被测设备机箱为非金属材料时,可按照图9的方式,在机箱底部加一块金属平板,如图8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。

  此时若将信号控制电缆屏蔽起来,也可以较好抑制EFT干扰。屏蔽电缆进入设备后,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最短距离与滤波器连接,该滤波器直接安装在金属平板上。

  若被测信号控制电缆无法或不便更换为屏蔽电缆,在信号控制线缆进入设备外壳的入口处加装瞬态脉冲吸收器与信号线共模滤波器。同时若瞬态脉冲吸收器的结电容和共模滤波器中的共模电容对信号传输有影响。

  对此类被测设备还需留意的是,由于没有金属外壳屏蔽,滤波器前的信号控制线上的EFT干扰的空间辐射会进入被测设备内部电路,从而对电路形成干扰。所以滤波器及脉冲吸收器尽量靠近接口。

  当通过空间远离的方法依然不能防止信号控制电缆上的空间辐射干扰时,干扰会直接耦合进电路。这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。

  在EFT抗扰度测试中,并非所有外部信号控制端口都需进行EFT抗扰度测试,这些端口一般连接电缆比较短,标准认为在实际使用过程中不易直接耦合大的EFT干扰,所以不对这些端口EFT抗扰度提出测试要求。若我们按照上边的设计要求对需进行EFT测试的电源、信号和控制端口采取了相应的抑制措施,在EFT测试过程中,被测电源线、信号控制线上的EFT干扰会向空间辐射,被机箱外的其他端口线缆接收,也会耦合进被测设备内部形成干扰。因此,应针对这些端口采取必要的抑制措施。由于,感应进这些端口的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入被测设备入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,应该注意的是共模抑制滤波器的抑制频率范围与端口感应到的EFT干扰频谱相适应,且滤波器外壳应与金属机壳或金属平板良好连接。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连接。

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