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电子产品快速瞬变脉冲群测试的失败原因和对策分析

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2024年9月14日发(作者:华斯伯)

电子产品快速瞬变脉冲群测试的失败原因和对策分析    

                        (信息产业部电子第五研究所,广东广州510610)

摘要:本文先就电子产品快速瞬变脉冲群形成机理及相应的测试方法进行了简要介绍,然后综合    

    其他研究者的成果及笔者的实践经验针对快速瞬变脉冲群对电子产品不同影响特点提出了相应的对

策方案,以方便电子产品设计人员及电磁兼容对策工程师在实际工作中参考、验证、改进和完善。    

朱文立                      

关键词:电子产品:电磁兼容:快速瞬变脉冲群:设计:对策    

I引言

电子产品的电磁兼容符合性目前已经成为国内外产品认证的一个重要组成部分,这也大大    

促进了电磁兼容检测标准、检测技术和设计技术的发展。长期的电子电气设备抗扰度试验的经

验表明,有必要对具有较高重复频率的快速瞬态试验进行模拟以考察敏感设备的该项抗扰性

能,为了保证大家试验结果具有准确性和可比性,IEC制定了相关的电快速瞬变脉冲群抗扰度

试验标准MC61000-4-3《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度试验》

(我国将该标准等同转化为国家标准GB1T17626.4)。该标准对E盯的定义、工作原理、测量

方法及试验发生器等进行了详细规定,成为其他标准该项目测量引用和参考的基础。EFT抗扰

度作为产品电磁兼容的重要项目,已列入大多数产品或产品簇标准中。

目前,通用的电磁兼容设计和对策方面的书籍和文章比较多,这些书籍和文章多从元器件    

选择、电路设计、排版布局、PCB设计、屏蔽、滤波、接地设计等方面介绍电磁兼容设计的通

用要求和设计原则,遵守这些规则和要求设计出的产品通过电磁兼容测试的几率会大大提高。

但这些设计要求和设计原则对具体某一个电磁兼容测量项目的针对性不强,不过近年来针对具

体的电磁兼容测量项目的设计和对策的文章和书籍也在不断面世,可以对具体的电磁兼容专项

设计起到较好的指引。但涉及EFT项目的设计和对策方面的书籍和论文目前还很少,也缺乏全

面的分析和指导。本文试图通过综合其他研究者对该项目前期成果并结合自己的多年实践工作

检验,针对EFT对电子产品不同影响特点提出了相应的对策方案,供相关产品设计人员参考。

2快速瞬变脉冲群干扰机理

    GBM 7626.4标准认为EFT是由电感性负载在断开或接通时,由于开关触点间隙的绝缘击

穿或触点弹跳等原因,在开关处产生的一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。当电感性负载多次

重复开关,则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。产生此类脉冲包括:小许感性负载

的切换,继电器触电跳动产生(此类脉冲主要通过传导方式干扰敏感设备);高压开关装置的

切换(此类脉冲主要通过辐射方式干扰敏感设备)。

这类瞬态骚扰的显著特点是上升时间快,持续时间短,能量低但具有较高的重复频率。这    

种暂态骚扰能量较小,一般不会引起设备的损坏,但由于快的上升时间和重复频率使其频谱分

布较宽,所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。一般认为EFT之所以会对电子产品形

成干扰,是因为脉冲群对线路中半导体结电容单向充电,当结电容上的能量累积到一定程度,

便会引起电路乃至设备的误动作.

-201・

3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。

3.1适用对象及试验目的:

EFT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。    

EFT抗扰度试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群祸合到电气和电子设备的电    

源端口、信号和控制端口的并观察被测设备在遭受这些脉冲干扰时对原有性能保持程度的一种

测试。试验的目的就是为了检验电子、电气设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。通过测试

对电气和电子设备在受到重复性快速瞬变脉冲群干扰时的性能进行评定。

3.2试验发生器和试验波形

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。

脉冲

盆盆周期(取决于试位电压娜级)

脉冲界周期300ms

图1          :快速瞬变脉冲群概略图图2:接SX)负载时单个脉冲的波形

    EFT是由间隔为300ms的连续脉冲串构成,每一个脉冲串持续15ms,由数个单极性的单

个脉冲波形组成,单个脉冲的上升沿5ns,持续时间SOns,重复频率2.5kHz(对4kV测试等级)

或5kHz(对其他测试等级)。根据傅立叶变换,它的频谱是从5kHz (2.5kHz) ̄   100MHz的

离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

EFT单个脉冲的重复频率实际值为l    OkHz到1 MHz,受当时技术条件限制,IEC61000-4-4

旧版标准规定了频率较低的、有代表性的专用脉冲重复频率2.5kHz和5kHz。随着技术的更新,

IEC61000-4-4: 2004把脉冲重复频率提高到5kHz和l00kHz(对每一测试等级可选5kHz或

100kffz,优选l00kHz)并取消了2.5kHz,使得EFT抗扰度试验更加切合实际的千扰情况。为

了保证5kHz和lOOkHz注入的能量具有等效性,当用l00kHz的重复频率代替5kHz时,EFT

的持续时间从15ms缩减到0.75ms,此时的脉冲频谱为IOOkHz- IOOMHz的离散谱线。

I    EC61000-4-4: 2004近期内也将会转化为新版的GB/T 17626.4以取代当前有效版本GB/T

17626.4: 1998。因此,在这儿对新旧标准的波形差异也进行简要介绍,让大家能较好把握新旧

标准测试结果的可能差异,以便对策设计时有的放矢.

3J试验等级及其选择:

标准用表格的形式列出了EFT试验等级及分别针供电电源端口、保护接地以及UO(输入/    

-202-

输出)信号、数据和控制端口对相应的电压峰值和重复频率。

对具体的产品来说,EFT试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。    

GB/T 17626.4标准同时也在附录中给出了一个试验等级选择指引。该指引可作为产品或产品族

标准选择试验等级的参考,同样也作为没有相关产品或产品族标准时等级选择的依据。

3.4试验布里

    标准通过图示的方式对实验室EFT型式试验布置和EFT现场试验布置进行了完整的描述。

对台式设备和落地式设备的布置,对电源线和信号线的藕合布置,都进行了详细的说明,对实

际测试具有较好的指导意义。有效地保证了铡量结果的一致性和可重复性。

3.5试验方法及实施

    EFT测试时被测样品处于正常工作状态。根据被测样品端口类型选择相应的试验等级和祸

合方式。(对某一具体被测样品,试验等级及合格判定准则由产品或产品簇标准规定。)

对交宜流电源端子的选择祸合去祸网络来施加EFT干扰信号,藕合电容为33    nF。对I/O信号、

数据和控制端口选择EFT测试专用的容性祸合夹来施加EFT干扰信号,被测电缆与容性祸合夹之间

的等效藕合电容约为50pF^200pF(对IEC610004-420(”标准,该等效藕合电容为l00pF-1000pF).

    使受试设备处于典型工作条件下,根据其端口及其组合,依次施加试验电压。

对勿直流电源端口,应通过祸合/    去祸网络在每一根传输线及传输线的各种组合与地之间

施加EFT干扰信号。对一般电子、电气产品来说,勿直流电源端口必须进行测试。

对VO信号、数据和控制端口的连接电缆进行EFT测试时,一般将单根电缆整体放入容性    

藕合夹进行测试,不同的端口电缆应分别进行测试。完全相同接口的多根电缆一般只需取其中

一根电缆进行测试。实际使用中连接电缆较短的信号、数据和控制端口一般无需进行测试。哪

些端口需进行该项测试由产品或产品簇标准进行规定。

每种组合应在正、负两种脉冲极性下分别进行测试,每种测试状态的试验持续时间不少于    

1分钟。在试验过程中应密切监视被测设备的反应,并进行记录,并将该反应与合格判定准则

比较以判定被测样品是否合格。

不同的产品或产品族标准对试验的实施可根据产品的特点有特定的规定。    

4电快速瞬变脉冲群试验失败原因分析

4.1从千扰施加方式分析

    对电源线通过藕合去祸网络施加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,另外一端通过祸合单元的接地端子与大地相连:对信号腔制线通过容性祸

合夹施加EFT干扰时,信号发生器输出通过祸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。这两种千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。

4.2从干扰传输方式分析

无论是电源线还是信号/    控制线,EFT的施加都是采取共模注入方式,只是此类干扰脉冲的

波形前沿非常陡峭,持续时间非常短暂,因此含有极其丰富的高频成分(脉冲的6dB带宽上限

可达l00MHz),这就导致干扰脉冲的沿线缆传输时,会有一部分干扰能量从传输的线缆中向

周围空间辐射,成为辐射干扰通过空间传输进入受试设备,这样受试设备最终受到的是传导和

"203・

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(例如加滤波器)方式无法

完全克服此类干扰的影响。

4.3根据EFT千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

加咖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益个门槛电平,

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。

I    EC61000-4-4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l00kHz,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阑限。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。

4.4从EFT藕合单元参数分析

对电源端口,EFT千扰信号是通过祸合去祸网络中的33    nF的电容祸合到主电源线上,而信号

或控制电缆通过容性祸合夹施加干扰,其等效电容为SOpF^200pF(对新版IEC61000-4-4标准为

l00pF-1000pF)。对于33nF的电容,下限截止频率为l00kHz,也就是说电源端祸合EFT脉冲的频

谱范围为l00kHz-100MHz;对于200pF的电容,下限截止频率为15MHz(对IOOOpF为31v4Hz),

也就是说信号或控制电缆祸合的EFT脉冲频谱范围为15MHz-104MHz(对新版IEC61000-4-4为

3MHz-100MHz)。经过以上分析可知EFT干扰中的低频成分笔摊被祸合到被测设备。了解了祸合

进设备的EFT干扰的频谱范围,才可以有针对性的采取适当抗干扰措施。

以上的频率范围分析是基于负载阻抗为5    0口系统。对电源端口来说,其输入阻抗一般会远低于

50口,这样,其频率范围的低端会较l00kHz大:对控市蛤号端口来说,其输入阻抗一般会大于50口,

这样,其频率范围的低端会较15MHz (3MHz)小。从被测设备上实际得到的千扰频谱两者差别并

不太大,但电源端口祸合的EFT干扰能量远大于信号控制端口。其入侵频谱范围取决于被干扰端口

的输入阻抗,对不同产品不同被测端口实际测得的侵入干扰频谱会有较大差异。

4.5从EFT千扰的幅度分析

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.

4.6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干扰通过祸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

.204.

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

图3: E盯测试失效原因分析示意图

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。

5电子产品通过电快速瞬变脉冲试验的对策

5.1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千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。

5.2 EFT干扰传输环路

    图4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千扰环路。

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

205

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千扰源。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千扰源。

完成整个千扰环路。广-—一.—-一一一门申A线

5.3针对电源线试验的措施

EFT

    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

C  1三、

入被测设备。

、、        

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下面根据被测样品外壳的性质    

C2今    

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不同分两种情况进行讨论。

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5.3.1被测设备的机箱是金属的:

........一一・一.......-・.…”.. ̄ ̄..一J卜一一’

图4: EFT干扰传愉环路示意图

当被测设备机箱为金属材料时,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,

通过网络祸合EFT干扰,并与电源插座保护地端通过去祸网络进行隔离,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EFI    ,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澎良容易使

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嘟寸,为兼顾两个项

目的钡(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PDI去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

源输入处与夕隋湘连,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藕合到大地,从而避免了    

EFT千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。

5.3.2被测设备机箱是非金属的

当被测设备机箱为非金属材料时,如图4所示,祸合进设备的EFT干扰只能通过内部电路    

.206.

与大地之间较小的杂散电容C3祸合进大地,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。

.非屏获机箱

电茸棋块

此时,必须在机箱    

.电汀线健波导

必须屏蔽

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5所示,

线

供脉冲吸收器和共模滤

波器中的共模滤波电容接地。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5.3.1节的金属外壳,EFT千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。脉冲吸收器与电源滤波器的要求与5.3.1节相同。

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,    

不能起到较好的千扰旁路作用。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千    

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祸合传递EFT千扰。

5.4针对信号线试验应采取的措施

    对信号和控制线进行EFT抗扰度侧试时,EFT脉冲采用容性祸合夹共模方式注入,与电源

端的祸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。    

5.4.1被测设备的机箱是金属的:

    由于EFT抗扰度测试干扰脉冲采用容性祸合夹注入信号控制电缆。消除此类干扰祸合的最佳方

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,通过容性藕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祸合到大地,EFT干扰的候须

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月澎类干扰。

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祸合法祸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千扰电流流通,则部分高频干扰会祸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

-207-

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千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5.3.1节的方法,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。安装方式与5.3.1节相同。瞬态脉冲吸收器选择原则与5.3.1

节相同,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。

5.4.2被测设备机箱是非金属的

当被测设备机箱为非金属材料时,可按照5.    3.2节的方式,在机箱底部加一块金属平板,

如图4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。此处接地线所起的作用与5.4.1节相同。

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。该滤波器与5.4.1节的相应滤波器要求相同.

若被测信号控制电缆无法或不便更换为屏蔽电缆,可按照5.    4.1相应处理方法在信号控制

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。其参数要求与5.4.1相

同,安装要求与5.3.2节相同。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,可采取与5.4.1节相同的处理措施。

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。处理方法请参考5.3.2节相关部分。

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,干扰会直接祸合    

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。

5.5其他端口的防护措施

在EFT抗扰度测试中,并非所有外部信号控布喘口都需进行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祸合大的EFT干扰,所以不对这些端口EFT抗主)渡

提出测试要求。若引t]按照上边的设计要求对需进行EFT测试的电源、信号和控讳喘口采取了相应的

抑韦蜡施,在EFT测试过程中,被测电源线、信号控韦蛾上的EFT干扰会向空间与副寸,被初来抄卜的其

他端口线缆接收,也会祸合进被测设备内部形成千扰。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,就育m至U较好的抑制效果,应该注意的是共模抑市日滤波器

的担玮日频率范围与端口感应侄U的EFT干扰频谱相适应,且滤波器外壳立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。

5.6其他EFT干扰抑制措施

以上根据EFT干扰的特点,提出了一些针对性较强的对策措施,这些对策措施主要是在    

-208-

EFT注入端口及外壳和接口上采取相应的抑制措施。除了这些外部抑制措施,提高被测设备内

部电路的抗干扰能力也是非常必要的。如何提高电子产品的抗干扰能力是产品电磁兼容设计的

一个非常重要的内容,这是所有电磁兼容设计书籍文章的主要组成部分,这儿不再仔细介绍,

主要针对EFT干扰抑制特点提出几个设计要点:

a)对PCB引出的模拟信号传输端口建议数字化或采用平衡传输或变压器隔离;    

b)对PCB引出的数字信号建议采用光祸隔离或变压器隔离或直接换光纤传输;    

c)对模拟电路,对称平衡放大器比单极性放大器具有更强的共模千扰抑制能力;    

d)对数字电路,所有的未使用的输入端口与地或电源连接,不可悬空;    

e)对智能芯片,电平触发比边沿触发抵抗脉冲干扰的能力强得多;    

f    )与外部连接的接口,带选通功能的接口芯片比不带的具有更强的抗干扰能力:

    9)对有CPU的智能电路在软件中加入抗干扰指令并采用看门狗电路是必要的;

乡任何时候都不要让外部信号没有经过接口芯片隔离直接进出CPU.    

6结论

    快速瞬变脉冲广泛存在于日常用电环境中,而电子类产品中存在大量对快速瞬变脉冲非常敏感的

模拟和数字电路,因此,绝大多数电子产品的电磁兼容抗主划变测量项目都包括快速瞬变脉冲群抗扰度

测试。与一般的抗扰度测试相比,EFr干扰有较为独特的地方,因此电子产品设计中除符合甲般的电

磁兼容抗扰度设计规则外,还需针对EFf干扰特点,采取对应的对策措施。将电磁兼容通用设计要求

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。

参考文献

[11 GB/T17626.4-1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(S].

〔幻杨继深电磁兼容技术之产品研发与认证〔闭.北京:电子工业出版社,2004.

[3〕钱振宇3C认证中的电磁兼容测试与对策田〕.北京:电子工业出版社,2004.

[4〕白同云吕晓德电磁兼容设计〔M].北京:北京邮电大学出版社,2001.

作者简介:朱文立(1968-,男,湖北省赤壁市人,信息产业部电子第五研究所安全与电磁兼容检测中心高

级工程师,学士,现主要从事电磁兼容设计研究与检浏技术研究工作.        

Anal    yses of reason to EFTB test fail and countermeasures

t                  o the electronic products

(                      CEPREI,Guangzhou 510610,China)

Abstract: The mechanism of producing EFTB in electronic products and the related measurement

methods are discussed in the article. To diferent electronic products, EFTB will produce diferent efects.

Based on the other researchers' and author's working experiences, some countermeasures to the effects of the

electronic products by EFTB have been brought forward. For the electronic product designers and EMC

engineers, it can bring some convinces to referred, verified, improved and optimized during their work.

Keyword: Electronic product, EMC, EFTB, Design, Countermeasure

Zhu                              Wenli

-209-

2024年9月14日发(作者:华斯伯)

电子产品快速瞬变脉冲群测试的失败原因和对策分析    

                        (信息产业部电子第五研究所,广东广州510610)

摘要:本文先就电子产品快速瞬变脉冲群形成机理及相应的测试方法进行了简要介绍,然后综合    

    其他研究者的成果及笔者的实践经验针对快速瞬变脉冲群对电子产品不同影响特点提出了相应的对

策方案,以方便电子产品设计人员及电磁兼容对策工程师在实际工作中参考、验证、改进和完善。    

朱文立                      

关键词:电子产品:电磁兼容:快速瞬变脉冲群:设计:对策    

I引言

电子产品的电磁兼容符合性目前已经成为国内外产品认证的一个重要组成部分,这也大大    

促进了电磁兼容检测标准、检测技术和设计技术的发展。长期的电子电气设备抗扰度试验的经

验表明,有必要对具有较高重复频率的快速瞬态试验进行模拟以考察敏感设备的该项抗扰性

能,为了保证大家试验结果具有准确性和可比性,IEC制定了相关的电快速瞬变脉冲群抗扰度

试验标准MC61000-4-3《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度试验》

(我国将该标准等同转化为国家标准GB1T17626.4)。该标准对E盯的定义、工作原理、测量

方法及试验发生器等进行了详细规定,成为其他标准该项目测量引用和参考的基础。EFT抗扰

度作为产品电磁兼容的重要项目,已列入大多数产品或产品簇标准中。

目前,通用的电磁兼容设计和对策方面的书籍和文章比较多,这些书籍和文章多从元器件    

选择、电路设计、排版布局、PCB设计、屏蔽、滤波、接地设计等方面介绍电磁兼容设计的通

用要求和设计原则,遵守这些规则和要求设计出的产品通过电磁兼容测试的几率会大大提高。

但这些设计要求和设计原则对具体某一个电磁兼容测量项目的针对性不强,不过近年来针对具

体的电磁兼容测量项目的设计和对策的文章和书籍也在不断面世,可以对具体的电磁兼容专项

设计起到较好的指引。但涉及EFT项目的设计和对策方面的书籍和论文目前还很少,也缺乏全

面的分析和指导。本文试图通过综合其他研究者对该项目前期成果并结合自己的多年实践工作

检验,针对EFT对电子产品不同影响特点提出了相应的对策方案,供相关产品设计人员参考。

2快速瞬变脉冲群干扰机理

    GBM 7626.4标准认为EFT是由电感性负载在断开或接通时,由于开关触点间隙的绝缘击

穿或触点弹跳等原因,在开关处产生的一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。当电感性负载多次

重复开关,则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。产生此类脉冲包括:小许感性负载

的切换,继电器触电跳动产生(此类脉冲主要通过传导方式干扰敏感设备);高压开关装置的

切换(此类脉冲主要通过辐射方式干扰敏感设备)。

这类瞬态骚扰的显著特点是上升时间快,持续时间短,能量低但具有较高的重复频率。这    

种暂态骚扰能量较小,一般不会引起设备的损坏,但由于快的上升时间和重复频率使其频谱分

布较宽,所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。一般认为EFT之所以会对电子产品形

成干扰,是因为脉冲群对线路中半导体结电容单向充电,当结电容上的能量累积到一定程度,

便会引起电路乃至设备的误动作.

-201・

3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。

3.1适用对象及试验目的:

EFT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。    

EFT抗扰度试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群祸合到电气和电子设备的电    

源端口、信号和控制端口的并观察被测设备在遭受这些脉冲干扰时对原有性能保持程度的一种

测试。试验的目的就是为了检验电子、电气设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。通过测试

对电气和电子设备在受到重复性快速瞬变脉冲群干扰时的性能进行评定。

3.2试验发生器和试验波形

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。

脉冲

盆盆周期(取决于试位电压娜级)

脉冲界周期300ms

图1          :快速瞬变脉冲群概略图图2:接SX)负载时单个脉冲的波形

    EFT是由间隔为300ms的连续脉冲串构成,每一个脉冲串持续15ms,由数个单极性的单

个脉冲波形组成,单个脉冲的上升沿5ns,持续时间SOns,重复频率2.5kHz(对4kV测试等级)

或5kHz(对其他测试等级)。根据傅立叶变换,它的频谱是从5kHz (2.5kHz) ̄   100MHz的

离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

EFT单个脉冲的重复频率实际值为l    OkHz到1 MHz,受当时技术条件限制,IEC61000-4-4

旧版标准规定了频率较低的、有代表性的专用脉冲重复频率2.5kHz和5kHz。随着技术的更新,

IEC61000-4-4: 2004把脉冲重复频率提高到5kHz和l00kHz(对每一测试等级可选5kHz或

100kffz,优选l00kHz)并取消了2.5kHz,使得EFT抗扰度试验更加切合实际的千扰情况。为

了保证5kHz和lOOkHz注入的能量具有等效性,当用l00kHz的重复频率代替5kHz时,EFT

的持续时间从15ms缩减到0.75ms,此时的脉冲频谱为IOOkHz- IOOMHz的离散谱线。

I    EC61000-4-4: 2004近期内也将会转化为新版的GB/T 17626.4以取代当前有效版本GB/T

17626.4: 1998。因此,在这儿对新旧标准的波形差异也进行简要介绍,让大家能较好把握新旧

标准测试结果的可能差异,以便对策设计时有的放矢.

3J试验等级及其选择:

标准用表格的形式列出了EFT试验等级及分别针供电电源端口、保护接地以及UO(输入/    

-202-

输出)信号、数据和控制端口对相应的电压峰值和重复频率。

对具体的产品来说,EFT试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。    

GB/T 17626.4标准同时也在附录中给出了一个试验等级选择指引。该指引可作为产品或产品族

标准选择试验等级的参考,同样也作为没有相关产品或产品族标准时等级选择的依据。

3.4试验布里

    标准通过图示的方式对实验室EFT型式试验布置和EFT现场试验布置进行了完整的描述。

对台式设备和落地式设备的布置,对电源线和信号线的藕合布置,都进行了详细的说明,对实

际测试具有较好的指导意义。有效地保证了铡量结果的一致性和可重复性。

3.5试验方法及实施

    EFT测试时被测样品处于正常工作状态。根据被测样品端口类型选择相应的试验等级和祸

合方式。(对某一具体被测样品,试验等级及合格判定准则由产品或产品簇标准规定。)

对交宜流电源端子的选择祸合去祸网络来施加EFT干扰信号,藕合电容为33    nF。对I/O信号、

数据和控制端口选择EFT测试专用的容性祸合夹来施加EFT干扰信号,被测电缆与容性祸合夹之间

的等效藕合电容约为50pF^200pF(对IEC610004-420(”标准,该等效藕合电容为l00pF-1000pF).

    使受试设备处于典型工作条件下,根据其端口及其组合,依次施加试验电压。

对勿直流电源端口,应通过祸合/    去祸网络在每一根传输线及传输线的各种组合与地之间

施加EFT干扰信号。对一般电子、电气产品来说,勿直流电源端口必须进行测试。

对VO信号、数据和控制端口的连接电缆进行EFT测试时,一般将单根电缆整体放入容性    

藕合夹进行测试,不同的端口电缆应分别进行测试。完全相同接口的多根电缆一般只需取其中

一根电缆进行测试。实际使用中连接电缆较短的信号、数据和控制端口一般无需进行测试。哪

些端口需进行该项测试由产品或产品簇标准进行规定。

每种组合应在正、负两种脉冲极性下分别进行测试,每种测试状态的试验持续时间不少于    

1分钟。在试验过程中应密切监视被测设备的反应,并进行记录,并将该反应与合格判定准则

比较以判定被测样品是否合格。

不同的产品或产品族标准对试验的实施可根据产品的特点有特定的规定。    

4电快速瞬变脉冲群试验失败原因分析

4.1从千扰施加方式分析

    对电源线通过藕合去祸网络施加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,另外一端通过祸合单元的接地端子与大地相连:对信号腔制线通过容性祸

合夹施加EFT干扰时,信号发生器输出通过祸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。这两种千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。

4.2从干扰传输方式分析

无论是电源线还是信号/    控制线,EFT的施加都是采取共模注入方式,只是此类干扰脉冲的

波形前沿非常陡峭,持续时间非常短暂,因此含有极其丰富的高频成分(脉冲的6dB带宽上限

可达l00MHz),这就导致干扰脉冲的沿线缆传输时,会有一部分干扰能量从传输的线缆中向

周围空间辐射,成为辐射干扰通过空间传输进入受试设备,这样受试设备最终受到的是传导和

"203・

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(例如加滤波器)方式无法

完全克服此类干扰的影响。

4.3根据EFT千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

加咖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益个门槛电平,

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。

I    EC61000-4-4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l00kHz,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阑限。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。

4.4从EFT藕合单元参数分析

对电源端口,EFT千扰信号是通过祸合去祸网络中的33    nF的电容祸合到主电源线上,而信号

或控制电缆通过容性祸合夹施加干扰,其等效电容为SOpF^200pF(对新版IEC61000-4-4标准为

l00pF-1000pF)。对于33nF的电容,下限截止频率为l00kHz,也就是说电源端祸合EFT脉冲的频

谱范围为l00kHz-100MHz;对于200pF的电容,下限截止频率为15MHz(对IOOOpF为31v4Hz),

也就是说信号或控制电缆祸合的EFT脉冲频谱范围为15MHz-104MHz(对新版IEC61000-4-4为

3MHz-100MHz)。经过以上分析可知EFT干扰中的低频成分笔摊被祸合到被测设备。了解了祸合

进设备的EFT干扰的频谱范围,才可以有针对性的采取适当抗干扰措施。

以上的频率范围分析是基于负载阻抗为5    0口系统。对电源端口来说,其输入阻抗一般会远低于

50口,这样,其频率范围的低端会较l00kHz大:对控市蛤号端口来说,其输入阻抗一般会大于50口,

这样,其频率范围的低端会较15MHz (3MHz)小。从被测设备上实际得到的千扰频谱两者差别并

不太大,但电源端口祸合的EFT干扰能量远大于信号控制端口。其入侵频谱范围取决于被干扰端口

的输入阻抗,对不同产品不同被测端口实际测得的侵入干扰频谱会有较大差异。

4.5从EFT千扰的幅度分析

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.

4.6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干扰通过祸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

.204.

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

图3: E盯测试失效原因分析示意图

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。

5电子产品通过电快速瞬变脉冲试验的对策

5.1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千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。

5.2 EFT干扰传输环路

    图4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千扰环路。

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

205

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千扰源。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千扰源。

完成整个千扰环路。广-—一.—-一一一门申A线

5.3针对电源线试验的措施

EFT

    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

C  1三、

入被测设备。

、、        

-・月・f

下面根据被测样品外壳的性质    

C2今    

一订

,.-.......…

不同分两种情况进行讨论。

大地i

5.3.1被测设备的机箱是金属的:

........一一・一.......-・.…”.. ̄ ̄..一J卜一一’

图4: EFT干扰传愉环路示意图

当被测设备机箱为金属材料时,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,

通过网络祸合EFT干扰,并与电源插座保护地端通过去祸网络进行隔离,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EFI    ,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澎良容易使

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嘟寸,为兼顾两个项

目的钡(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PDI去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

源输入处与夕隋湘连,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藕合到大地,从而避免了    

EFT千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。

5.3.2被测设备机箱是非金属的

当被测设备机箱为非金属材料时,如图4所示,祸合进设备的EFT干扰只能通过内部电路    

.206.

与大地之间较小的杂散电容C3祸合进大地,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。

.非屏获机箱

电茸棋块

此时,必须在机箱    

.电汀线健波导

必须屏蔽

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5所示,

线

供脉冲吸收器和共模滤

波器中的共模滤波电容接地。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5.3.1节的金属外壳,EFT千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。脉冲吸收器与电源滤波器的要求与5.3.1节相同。

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,    

不能起到较好的千扰旁路作用。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千    

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祸合传递EFT千扰。

5.4针对信号线试验应采取的措施

    对信号和控制线进行EFT抗扰度侧试时,EFT脉冲采用容性祸合夹共模方式注入,与电源

端的祸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。    

5.4.1被测设备的机箱是金属的:

    由于EFT抗扰度测试干扰脉冲采用容性祸合夹注入信号控制电缆。消除此类干扰祸合的最佳方

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,通过容性藕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祸合到大地,EFT干扰的候须

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月澎类干扰。

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祸合法祸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千扰电流流通,则部分高频干扰会祸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

-207-

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千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5.3.1节的方法,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。安装方式与5.3.1节相同。瞬态脉冲吸收器选择原则与5.3.1

节相同,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。

5.4.2被测设备机箱是非金属的

当被测设备机箱为非金属材料时,可按照5.    3.2节的方式,在机箱底部加一块金属平板,

如图4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。此处接地线所起的作用与5.4.1节相同。

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。该滤波器与5.4.1节的相应滤波器要求相同.

若被测信号控制电缆无法或不便更换为屏蔽电缆,可按照5.    4.1相应处理方法在信号控制

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。其参数要求与5.4.1相

同,安装要求与5.3.2节相同。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,可采取与5.4.1节相同的处理措施。

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。处理方法请参考5.3.2节相关部分。

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,干扰会直接祸合    

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。

5.5其他端口的防护措施

在EFT抗扰度测试中,并非所有外部信号控布喘口都需进行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祸合大的EFT干扰,所以不对这些端口EFT抗主)渡

提出测试要求。若引t]按照上边的设计要求对需进行EFT测试的电源、信号和控讳喘口采取了相应的

抑韦蜡施,在EFT测试过程中,被测电源线、信号控韦蛾上的EFT干扰会向空间与副寸,被初来抄卜的其

他端口线缆接收,也会祸合进被测设备内部形成千扰。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,就育m至U较好的抑制效果,应该注意的是共模抑市日滤波器

的担玮日频率范围与端口感应侄U的EFT干扰频谱相适应,且滤波器外壳立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。

5.6其他EFT干扰抑制措施

以上根据EFT干扰的特点,提出了一些针对性较强的对策措施,这些对策措施主要是在    

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EFT注入端口及外壳和接口上采取相应的抑制措施。除了这些外部抑制措施,提高被测设备内

部电路的抗干扰能力也是非常必要的。如何提高电子产品的抗干扰能力是产品电磁兼容设计的

一个非常重要的内容,这是所有电磁兼容设计书籍文章的主要组成部分,这儿不再仔细介绍,

主要针对EFT干扰抑制特点提出几个设计要点:

a)对PCB引出的模拟信号传输端口建议数字化或采用平衡传输或变压器隔离;    

b)对PCB引出的数字信号建议采用光祸隔离或变压器隔离或直接换光纤传输;    

c)对模拟电路,对称平衡放大器比单极性放大器具有更强的共模千扰抑制能力;    

d)对数字电路,所有的未使用的输入端口与地或电源连接,不可悬空;    

e)对智能芯片,电平触发比边沿触发抵抗脉冲干扰的能力强得多;    

f    )与外部连接的接口,带选通功能的接口芯片比不带的具有更强的抗干扰能力:

    9)对有CPU的智能电路在软件中加入抗干扰指令并采用看门狗电路是必要的;

乡任何时候都不要让外部信号没有经过接口芯片隔离直接进出CPU.    

6结论

    快速瞬变脉冲广泛存在于日常用电环境中,而电子类产品中存在大量对快速瞬变脉冲非常敏感的

模拟和数字电路,因此,绝大多数电子产品的电磁兼容抗主划变测量项目都包括快速瞬变脉冲群抗扰度

测试。与一般的抗扰度测试相比,EFr干扰有较为独特的地方,因此电子产品设计中除符合甲般的电

磁兼容抗扰度设计规则外,还需针对EFf干扰特点,采取对应的对策措施。将电磁兼容通用设计要求

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。

参考文献

[11 GB/T17626.4-1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(S].

〔幻杨继深电磁兼容技术之产品研发与认证〔闭.北京:电子工业出版社,2004.

[3〕钱振宇3C认证中的电磁兼容测试与对策田〕.北京:电子工业出版社,2004.

[4〕白同云吕晓德电磁兼容设计〔M].北京:北京邮电大学出版社,2001.

作者简介:朱文立(1968-,男,湖北省赤壁市人,信息产业部电子第五研究所安全与电磁兼容检测中心高

级工程师,学士,现主要从事电磁兼容设计研究与检浏技术研究工作.        

Anal    yses of reason to EFTB test fail and countermeasures

t                  o the electronic products

(                      CEPREI,Guangzhou 510610,China)

Abstract: The mechanism of producing EFTB in electronic products and the related measurement

methods are discussed in the article. To diferent electronic products, EFTB will produce diferent efects.

Based on the other researchers' and author's working experiences, some countermeasures to the effects of the

electronic products by EFTB have been brought forward. For the electronic product designers and EMC

engineers, it can bring some convinces to referred, verified, improved and optimized during their work.

Keyword: Electronic product, EMC, EFTB, Design, Countermeasure

Zhu                              Wenli

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