電快速瞬變脈沖群形成的機理及其對電子產(chǎn)品的影響

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電快速瞬變脈沖群形成的機理及其對電子產(chǎn)品的影響

電快速瞬變脈沖群是由電感性負(fù)載（如繼電器、接觸器等）在斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。當(dāng)電感性負(fù)載多次重復(fù)開關(guān)，則脈沖群又會以相應(yīng)的時間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會引起設(shè)備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設(shè)備的可靠工作產(chǎn)生影響。
一般認(rèn)為電快速瞬變脈沖群之所以會造成設(shè)備的誤動作，是因為脈沖群對線路中半導(dǎo)體結(jié)電容充電，當(dāng)結(jié)電容上的能量累積到一定程度，便會引起線路乃至設(shè)備的誤動作。

電快速瞬變脈沖群測試及相關(guān)要求

不同的電子、電氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗大多都直接或間接引用 GB/T17626.4-1998（idt IEC 61000-4-4:1995）：《電磁兼容試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并按其中的試驗方法進(jìn)行試驗。下面就簡要介紹一下該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容、試驗方法及相關(guān)要求。

試驗對象：

適用于在住宅區(qū)和商業(yè)區(qū) /工業(yè)區(qū)使用的在運行條件下的電子、電氣設(shè)備的電快速瞬變脈沖群的抗擾性能測試。

試驗內(nèi)容：

對電氣和電子設(shè)備的供電電源端口、信號和控制端口在受到重復(fù)性快速瞬變脈沖群干擾時的性能進(jìn)行評定。

試驗?zāi)康模?/strong>
重復(fù)快速瞬變試驗是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號和控制端口的試驗。試驗的要點是瞬變的短上升時間、重復(fù)率和低能量。

電快速速變脈沖群試驗的目的就是為了檢驗電子、電氣設(shè)備在遭受這類暫態(tài)騷擾影響時的性能。

試驗發(fā)生器
試驗發(fā)生器性能的主要指標(biāo)有三個：單個脈沖波形、脈沖的重復(fù)頻率和輸出電壓峰值。

GB/T 17626.4 要求試驗發(fā)生器輸出波形應(yīng)如圖 14， 15 所示。

圖 14：快速瞬變脈沖群概略圖

圖 15：接 50? 負(fù)載時單個脈沖的波形

試驗方法
對交/直流電源端子的選擇耦合 /去耦網(wǎng)絡(luò)來施加快速瞬變脈沖群干擾信號。
對 I/O 信號、數(shù)據(jù)和控制端口選擇快速瞬變脈沖群測試專用的容性耦合夾來施加快速瞬變脈沖群干擾信號。
4.3.2.6 試驗等級及其選擇：
表 2：試驗等級

試驗等級應(yīng)根據(jù)下列情況來選擇：
----電磁環(huán)境； ---- 騷擾源與關(guān)心的設(shè)備的鄰近情況； ---- 兼容性裕度。

對具體的產(chǎn)品來說，試驗等級選擇往往已在相應(yīng)的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)中加以規(guī)定。

試驗環(huán)境
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境條件：

環(huán)境溫度： 15℃~35℃、相對濕度： 25%~75%RH、大氣壓力： 86kPa~106kPa

試驗布置

標(biāo)準(zhǔn)對試驗布置也做出了詳細(xì)的規(guī)定，圖 16 所示為用于實驗室型式試驗的一般試驗配置示意圖。

L=耦合夾與 EUT 之間的距離，不應(yīng)大于 1m；（A） =電源線耦合位置；（B）=信號線耦合位置

圖16：用于實驗室型式試驗的一般試驗配置

試驗實施
電源、信號和其他功能電量應(yīng)在其額定的范圍內(nèi)使用，并處于正常的工作狀態(tài)。
根據(jù)要進(jìn)行試驗的 EUT 的端口類型選擇相應(yīng)的試驗等級和耦合方式。
使受試設(shè)備處于典型工作條件下，根據(jù)受試設(shè)備端口及其組合，依次對各端口施加試驗電壓。
每種組合應(yīng)針對不同脈沖極性進(jìn)行測試，每種狀態(tài)的試驗持續(xù)時間不少于 1min。

不同的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對試驗的實施可能根據(jù)產(chǎn)品的特點有特定的規(guī)定。

試驗結(jié)果

若電快速速變脈沖群測試通不過，可能產(chǎn)生如下后果：造成設(shè)備的誤動作。

導(dǎo)致電快速脈沖試驗失敗的原因
從脈沖群試驗主要是進(jìn)行電源線和信號/控制線的傳導(dǎo)差 /共模干擾試驗，只是干擾脈沖的波形前沿非常陡峭，持續(xù)時間非常短暫，因此含有極其豐富的高頻成分，這就導(dǎo)致在干擾波形的傳輸過程中，會有一部分干擾從傳輸?shù)木€纜中逸出，這樣設(shè)備最終受到的是傳導(dǎo)和輻射的復(fù)合干擾。
電快速脈沖試驗波形的上升沿很陡，包含了很豐富的高頻成分。另外，由于試驗脈沖是持續(xù)一段時間的脈沖串，因此它對電路的干擾有一個累積效應(yīng)，大多數(shù)電路為了抗瞬態(tài)干擾，在輸入端安裝了積分電路，這種電路對單個脈沖具有很好的抑制作用，但是對于一串脈沖則不能有效地抑制。
電快速脈沖對設(shè)備影響的原因有三種，包括：
a）通過電源線直接傳導(dǎo)進(jìn)設(shè)備的電源，導(dǎo)致電路的電源線上有過大的噪聲電壓。當(dāng)單獨對火線或零線注入時，在火線和零線之間存在著差模干擾，這種差模電壓會出現(xiàn)在電源的直流輸出端。當(dāng)同時對火線和零線注入時，僅存在著共模電壓，由于大部分電源的輸入都是平衡的（無論是變壓器輸入，還是整流橋輸入），因此實際共模干擾轉(zhuǎn)變成差模電壓的成分很少，對電源的輸出影響并不大。
b）干擾能量在電流線上傳導(dǎo)的過程中，向空間輻射，這些輻射能量感應(yīng)到鄰近的信號電纜上，對信號電纜連接的電路形成干擾（如果發(fā)生這種情況，往往會在直接向信號電纜注入試驗脈沖時，導(dǎo)致試驗失敗）。

c）干擾脈沖信號在電纜（包括信號電纜和電源電纜）上傳輸時產(chǎn)生的二次輻射能量感應(yīng)進(jìn)電路，對電路形成干擾。

通過電快速脈沖試驗的整改措施

針對脈沖群干擾，主要采用濾波（電源線和信號線的濾波）及吸收（用鐵氧體磁芯來吸收）。采用鐵氧體磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效，但要注意做試驗時鐵氧體磁芯的擺放位置，就是今后要使用鐵氧體磁芯的位置，千萬不要隨意更改，因為脈沖群干擾不僅僅是一個傳導(dǎo)干擾，更麻煩的是它還含有輻射的成分，不同的安裝位置，輻射干擾的逸出情況各不相同，難以捉摸。一般將鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設(shè)備的入口處最為有效。下面根據(jù)端口的不同分別進(jìn)行探討。

針對電源線試驗的措施
解決電源線干擾問題的主要方法是在電源線入口處安裝電源線濾波器，阻止干擾進(jìn)入設(shè)備。
快速脈沖通過電源線注入時，可以是差模方式注入，也可以是共模方式注入。
對差模方式注入的一般可以通過差模電容（X 電容）和電感濾波器加以吸收。
若注入到電源線上的電壓是共模電壓，濾波器必須能對這種共模電壓起到抑制作用才能使受試設(shè)備順利通過試驗。
下面是用濾波器抑制電源線上的電快速脈沖的方法。
a）設(shè)備的機箱是金屬的：
這種情況是最容易的。因為機箱是金屬的，它與地線面之間有較大的雜散電容，能夠為共模電流提供比較固定的通路。這時，只要在電源線的入口處安裝一只含有共模濾波電容的電源線濾波器，共模濾波電容就能將干擾旁路掉，使其回到干擾源。由于電源線濾波器中的共模濾波電容受到漏電流的限制，容量較小，因此對于干擾中較低的頻率成分主要依靠共模電感抑制。另外，由于設(shè)備與地線面之間的接地線具有較大的電感，對于高頻干擾成分阻抗較大，因此設(shè)備接地與否對試驗的結(jié)果一般沒有什么影響。除了選擇高頻性能良好的濾波器以外，在安裝濾波器時，注意濾波器應(yīng)靠近金屬機箱上的電源入口處，防止電源線二次輻射造成的干擾。
b）設(shè)備機箱是非金屬的

如果設(shè)備的機箱是非金屬的，必須在機箱底部加一塊金屬板，供濾波器中的共模濾波電容接地。這時的共模干擾電流通路通過金屬板與地線面之間的雜散電容形成通路。如果設(shè)備的尺寸較小，意味著金屬板尺寸也較小，這時金屬板與地線面之間的電容量較小，不能起到較好的旁路作用。在這種情況下，主要靠電感發(fā)揮作用。此時，需要采用各種措施提高電感高頻特性，必要時可用多個電感串聯(lián)。

針對信號線試驗應(yīng)采取的措施
快速脈沖通過信號 /控制線注入時，由于是采用容性耦合夾注入，屬共模注入方式。
a）信號電纜屏蔽：
從試驗方法可知，干擾脈沖耦合進(jìn)信號電纜的方式為電容性耦合。消除電容性耦合的方法是將電纜屏蔽起來，并且接地。因此，用電纜屏蔽的方法解決電快速脈沖干擾的條件是電纜屏蔽層能夠與試驗中的參考地線面可靠連接。如果設(shè)備的外殼是金屬的并是接地的設(shè)備，這個條件容易滿足。當(dāng)設(shè)備的外殼是金屬的，但是不接地時，屏蔽電纜只能對電快速脈沖中的高頻成分起到抑制作用，這是通過金屬機殼與地之間的雜散電容來接地的。如果機箱是非金屬機箱，則電纜屏蔽的方法就沒有什么效果。
b）信號電纜上安裝共模扼流圈：
共模扼流圈實際是一種低通濾波器，只有當(dāng)電感量足夠大時，才能對電快速脈沖群有效果。但是當(dāng)扼流圈的電感量較大時（往往匝數(shù)較多），雜散電容也較大，扼流圈的高頻抑制效果降低。而電快速脈沖波形中包含了大量的高頻成分。因此，在實際使用時，需要注意調(diào)整扼流圈的匝數(shù)，必要時用兩個不同匝數(shù)扼流圈串聯(lián)起來，兼顧高頻和低頻的要求。
c）信號電纜上安裝共模濾波電容。這種濾波方法比扼流圈具有更好的效果，但是需要金屬機箱作為濾波電容的地。另外，這種方法會對差模信號有一定的衰減，在使用時需要注意。
d）對敏感電路局部屏蔽。當(dāng)設(shè)備的機箱為非金屬機箱，或者電纜的屏蔽和濾波措施不易實施時，干擾會直接耦合進(jìn)電路。這時只能對敏感電路進(jìn)行局部屏蔽。屏蔽體應(yīng)該是一個完整的六面體。

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