一、快速瞬變脈沖群干擾機理

1.實驗的目的

電快速瞬變脈沖群EFT試驗的目的是驗證電子設備機械開關對電感性負載切換、繼電器觸點彈跳、高壓開關切換等引起的瞬時擾動的抗干擾能力。這種試驗方法是一種耦合到電源線路、控制線路、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。容易出現問題的場合有電力設備或監控電網的設備、使用在工業自動化上面的設備、醫療監護等檢測微弱信號設備。

2.干擾的特點

EFT的特點是上升時間快，持續時間短，能量低，但具有較高的重復頻率。EFT一般不會引起設備的損壞，但由于其干擾頻譜分布較寬，會對設備正常工作產生影響。其干擾機理為EFT對線路中半導體結電容單向連續充電累積，引起電路乃至設備的誤動作。

1）電快速瞬變脈沖群測試及相關要求

不同的電子、電氣產品標準對EFT抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標準關于EFT抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.4這一電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進行試驗。下面就簡要介紹一下該標準的內容。

2）信號發生器和試驗波形

a）信號發生器

其中，U為高壓直流電源，Rc為充電電阻，Cc為儲能電容，Rs為內部的放電電阻，Rm為阻抗匹配電阻，Cd為隔直電容，R0為外部的負載電阻，Cc的大小決定了單個脈沖的能量，Cc和Rs的配合決定了脈沖波的形狀（特別是脈沖的持續時間），Rm決定了脈沖群發生器的輸出阻抗（標準規定是50Ω），Cd則隔離了脈沖群發生器輸出波形中的直流成分，免除了負載對脈沖群發生器工作的影響。

b）實驗波形

試驗發生器性能的主要指標有三個：單個脈沖波形、脈沖的重復頻率和輸出電壓峰值。IEC 61000-4-4要求試驗發生器輸出波形應如圖1，2所示。

EFT是由間隔為300ms的連續脈沖串構成，每一個脈沖串持續15ms，脈沖波形組成，單個脈沖的上升沿5ns，持續時間50ns，重復頻率5kHz和100kHz。為了保證5kHz和100kHz注入的能量具有等效性，當用100kHz的重復頻率代替5kHz時，EFT的持續時間從15ms縮減到0.75ms。傳統上使用5kHz的重復頻率，然而100kHz更接近實際情況。在電力上一般要求為100kHz。

c）干擾實驗等級

受試設備的被試驗部分主要包括設備的供電電源端口，保護接地，信號和控制端口。

圖4脈沖群試驗等級

需要注意，并不是信號和控制信號在相同測試等級下信號發生器輸出電壓就比對電源測試的電壓要低，實際信號發生器輸出的信號幅度是一致的，是由負載阻抗決定的。信號線一般阻抗為50歐，信號發生器內有50串接電阻。所以信號測量電壓應為0.5xVp（開路）。此電壓可以正負偏差10%。

3、耦合裝置

IEC 61000-4-4提供的耦合裝置有兩種：耦合/去耦網絡和容性耦合夾。一般情況下，耦合/去耦網絡主要用于電源端口試驗，容性耦合夾主要用于I/O端口和通信端口試驗。

4、耦合/去耦網絡

耦合/去耦網絡的作用是將干擾信號耦合到受試設備并阻止干擾信號連接到同一電網中的不相干設備。

耦合脈沖干擾是通過33nF的電容，同時施加到L1、L2、L3、N、PE信號上。信號電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網絡的機殼相連,機殼則接到參考接地端子上。這表明脈沖群干擾實際上是加在電源線與參考地之間,即加在電源線上的干擾是共模干擾。

5、容性耦合夾

對于采用耦合夾的試驗來說,耦合夾能在受試設備各端口的端子、電纜屏蔽層或受試設備的其他部分無任何電連接的情況下把快速瞬變脈沖群耦合到受試線路上。電容耦合夾的結構如圖？所示。試驗中受試線路的電纜放在耦合夾的上下兩塊耦合板之間,耦合夾本身應盡可能地合攏,以提供電纜和耦合夾之間的最大耦合電容。耦合夾與電纜之間的典型電容是50-200pf。

二、電快速瞬變脈沖群試驗失敗原因分析

1、從干擾施加方式分析

對電源線通過耦合/去耦網絡施加EFT干擾時，信號發生器輸出的一端通過33nF的電容注入到被測電源線上，另外一端通過耦合單元的接地端子與大地相連；對信號/控制線通過容性耦合夾施加EFT干擾時，信號發生器輸出通過耦合板與受試電纜之間的分布電容進入受試電纜，而受試電纜所接收到的脈沖是相對接地板而言的。這兩種干擾注入方式都是對大地的共模注入方式。因此，所有的差模抑制方法對此類干擾無能為力。

2、從干擾傳輸方式分析

脈沖群的單個脈沖波形前沿tr達到5ns，脈寬達到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達到1/πtr，亦即可以達到64MHz左右，相應的波長為5m。

對于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度為1M，由于導線長度已經可以和信號的波長可比，不能再以普通傳輸線來考慮，信號在線上的傳輸過程中，部分依然可以通過傳輸線進入受試設備（傳導發射），部分要從線上逸出，成為輻射信號進入受試設備（輻射發射）。因此，受試設備受到的干擾實際上就是傳導與輻射的結合。很明顯，傳導和輻射的比例和電源線長度相關，線路越短，傳導成分越多，而輻射比例越小；反之輻射比例就大。單純對EFT干擾施加端口采取傳導干擾抑制（例如加濾波器）方式無法完全克服此類干擾的影響。

3、根據EFT干擾造成設備失效的機理分析

單個脈沖的能量較小，不會對設備造成故障。但由于EFT是持續一段時間的單極性脈沖串，它對設備線路結電容充電，經過累積，最后達到并超過IC芯片的抗擾度電平，將引起數字系統的位錯、系統復位、內存錯誤以及死機等現象。因此，線路出錯會有個時間過程，而且會有一定偶然性和隨機性。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖還是一起施加脈沖設備更容易失效。也很難下結論設備對于正向脈沖和負向脈沖哪個更為敏感。測試結果與設備線纜布置、設備運行狀態和脈沖參數、脈沖施加的組合等都有極大的相關性。而不能簡單認為在EFT抗擾度試驗中受試設備有一個門檻電平，干擾低于這個電平，設備工作正常；干擾高于這個電平，設備就失效。正是這種偶然性和隨機性給EFT對策的方式和對策部位的選擇增加了難度。同時，大多數電路為了抵抗瞬態干擾，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抑制。IEC61000-4-4新版標準在單組脈沖群注入受試設備的脈沖總量沒變（仍為75個）的情況下，將脈沖重復頻率從5kHz提高到100kHz，單位時間內的脈沖密集程度大大增加了。單位時間內的脈沖個數越多，對結電容的電荷積累也越快，越容易達到線路出錯的閾限。因此，新的標準把脈沖重復頻率提高，其本質上也是將試驗的嚴酷程度提高。這樣能通過舊標準EFT測試的產品，在按照新標準進行測試時未必能通過。

4、從EFT干擾的幅度分析

與其它瞬態脈沖一樣，EFT抗擾度測試時施加在被測線纜上的EFT脈沖幅度從幾百伏到數千伏。對付此類高壓大能量脈沖，僅依靠屏蔽、濾波和接地等普通電磁干擾抑制措施是遠遠不夠的。對此類脈沖應先使用專用的脈沖吸收電路將脈沖干擾的能量和幅度降低到較低水平再采取其他的電磁干擾抑制措施，這樣才能使被測設備有效抵抗此類干擾。

5、從EFT干擾傳輸途徑分析

如圖3所示，EFT干擾主要通過以下幾種途徑干擾被測設備的正常工作，包括：

a）EFT干擾通過耦合單元進入設備的電源線和控制信號線，在這些線纜上產生高達數千伏的共模脈沖噪聲并沿著這些線纜進入被測設備內部，當通過接口濾波器時干擾有所衰減，但依然有較高的干擾電壓進入設備內部電源和PCB電路，影響PCB的正常工作。

b）同時，注入到電源線或信號控制線上的EFT干擾會在傳導的過程中向空間輻射，這些輻射能量感應到鄰近的電纜上，通過這些電纜進入設備內部對電路形成干擾，當沒有對EUT所有連接電纜采取EFT防護措施時，較易出現這種現象。

c）注入到電源線或信號控制線上的EFT干擾進入設備內部后，直接通過空間輻射被PCB電路接收，對電路形成干擾。當PCB接口上有良好濾波措施，但傳輸線纜與電路距離較近時，容易出現這種現象。

三、電子產品通過電快速瞬變脈沖試驗的對策

1、抑制EFT干擾的一般對策

從上一節分析我們可知，EFT干擾有以下幾個特點：

a）EFT干擾以共模方式侵入敏感設備；

b）EFT干擾在傳遞過程中通過輻射和傳導兩種方式影響被測設備電路；

c）EFT干擾是由一組組的密集的單極性脈沖構成，對敏感設備電路結點的影響具有連續累積性；

d）EFT干擾侵入敏感設備的頻率覆蓋中高頻頻率段，且電源端口的頻譜分量比信號端口低頻分量更豐富；

e）EFT干擾是一種典型的高壓快速脈沖干擾；f）EFT干擾主要通過三種路徑影響敏感設備電路：直接通過干擾線傳導進入敏感設備電路；通過干擾線輻射到相鄰的干擾線，再從相鄰干擾線進入敏感設備電路；通過干擾線輻射直接進入敏感設備電路。

針對這些特點，我們采取的對策包括：

a）對直接傳導干擾應以共模抑制為主；

b）為抑制傳導和輻射兩者途徑的干擾，我們除對端口線進行濾波外，還需對敏感電路進行屏蔽；

c）為了有效抑制這種密集的單極性脈沖，單純使用反射型電容、電感濾波會很快飽和，考慮到電源和信號傳遞RC類的吸收濾波器未必適用，較好的方式是利用高頻鐵氧體對高頻干擾呈阻性，能直接吸收高頻干擾并轉化為熱能的特性，來吸收此類干擾；

d）選擇傳輸線濾波電路應覆蓋侵入的EFT干擾的頻譜范圍；

e）對EFT類共模的高壓快速脈沖干擾，若在干擾通道先采用對地的脈沖吸收器吸收大部分脈沖電壓和能量，再配合吸收式共模濾波器，可起到事半功倍的效果；

f）為了對EFT干擾侵入敏感設備的三條路徑都有較好的防范，我們除對干擾直接傳輸通道采取脈沖吸收和濾波，對空間輻射采取屏蔽等措施外，為防止EFT干擾通過空間輻射到非EFT干擾直接侵入的端口線，再從這些端口線侵入敏感設備，應讓這些端口線與其他端口線加以空間分隔，并對些端口也采取適當的共模干擾抑制措施。

2、EFT干擾傳輸環路

圖8所示為EFT干擾傳輸環路。EFT是共模干擾，它必須通過大地回路完成整個干擾環路。EFT干擾源通過傳導或空間輻射以共模方式進入敏感設備電源線或控制信號線，通過這些線纜以傳導或輻射方式進入敏感設備內部PCB電路。若EUT為金屬外殼，PCB上的EFT干擾通過PCB與金屬外殼間雜散電容C1或直接通過接地端子傳輸到金屬外殼，再通過金屬外殼與大地之間雜散電容C2傳輸到大地，由大地返回EFT干擾源。若EUT為非金屬外殼，PCB上的EFT干擾通過PCB與大地之間較小的雜散電容C3傳輸到大地，由大地返回EFT干擾源。完成整個干擾環路。

3、針對電源線試驗的措施

解決電源線EFT干擾問題的主要方法是在被測設備電源線入口處安裝瞬態脈沖吸收器和吸收型的共模電源線濾波器，阻止EFT干擾進入被測設備。下面根據被測樣品外殼的性質不同分兩種情況進行討論。

4、被測設備的機箱是金屬的

當被測設備機箱為金屬材料時，如圖8所示，金屬機箱與大地之間有較大的雜散電容C2，能夠為EFT共模電流提供比較固定的通路。若被測樣品有保護接地線通過電源插座與大地連接，由于正常工作時設備與大地間的接地線具有較大的電感，因此電源線中的保護接地線也應作為被測線之一，通過網絡耦合EFT干擾，并與電源插座保護地端通過去耦網絡進行隔離，對EFT高頻干擾成分阻抗較大。因此，僅靠改善電源線中保護接地的方法對提高被測樣品的電源端EFT抗擾性作用不明顯。處理方法是在金屬機箱電源入口處加裝由共模電感和共模電容構成的電源濾波器，該濾波器金屬外殼與金屬機箱直接連接成為一個整體，并通過機箱將濾波器輸入、輸出電源線進行隔離。共模濾波電容能將EFT干擾導入機箱再通過其雜散電容C2導入大地，通過大地回到干擾源。由于電源線濾波器中共模濾波電容受漏電流限制，容量較小，對EFT干擾中較低的頻率成分主要依靠共模電感抑制。因此共模電感的選擇很關鍵，此處應選擇鐵氧體吸收式共模扼流圈。選擇濾波器時要注意濾波器的抑制干擾帶寬應覆蓋EFT干擾帶寬。

由于EFT干擾屬高壓瞬態脈沖干擾，當EFT測試等級較高時，其高壓脈沖產生的大電流很容易使共模電感飽和，且其密集的單極性脈沖也容易使共模電容飽和，這時應讓輸入電源先通過對地（實際為金屬外殼）脈沖吸收器，通過脈沖吸收器吸收大部分脈沖電壓和能量，再配合由共模電感和共模電容構成濾波器，就能較好地抑制EFT干擾。當被測設備電源端口還需通過浪涌測試時，為兼顧兩個項目的測試需求，脈沖吸收器可選擇氧化鋅壓敏電阻（對220V交流電源供電產品，壓敏電阻選470V系列），它對瞬態脈沖具有納秒級的響應時間；當被測設備電源端口只需抑制EFT脈沖時，硅瞬變電壓吸收二極管（TVS）是最佳選擇（對220V交流電源供電產品，可選擇350V系列），它對瞬態脈沖的響應時間小于1納秒。脈沖吸收器是兩端器件，一端與每根輸入電源線相連，另一端在金屬外殼的電源輸入處與外殼相連，使脈沖吸收器吸收的能量通過其雜散電容C2導入大地，通過大地回到干擾源。

通過以上的方式，在電源入口處將EFT干擾通過金屬機殼直接耦合到大地，從而避免了EFT干擾通過電源端口進入內部電路，對設備造成影響；同時，金屬外殼也有效地保護了內部電路，隔離了在外部電源線上的EFT干擾的空間輻射。

5、被測設備機箱是非金屬的

當被測設備機箱為非金屬材料時，如圖8所示，耦合進設備的EFT干擾只能通過內部電路與大地之間較小的雜散電容C3耦合進大地，被測樣品電路對地會有較大的EFT干擾電壓存在，從而影響其正常工作。此時，必須在機箱底部加一塊金屬板，有效地增加了設備對大地的雜散電容，如圖9所示，在設備內部，脈沖吸收器、電源濾波器、電源模塊以及PCB板都安裝在該金屬平板上面，電源模塊和電源濾波器的金屬外殼與金屬平板緊密連接，金屬平板作為被測設備的公共參考平面。這時的金屬平板的作用等效于金屬外殼，EFT干擾電流通過金屬平板與大地之間的雜散電容形成通路，回到干擾源。

如果設備的尺寸較小，則金屬板尺寸也較小，這時金屬板與大地之間的雜散電容量較小，不能起到較好的干擾旁路作用。在這種情況下，脈沖吸收器和濾波器中的共模電容作用有限，主要靠濾波器中共模電感發揮作用。此時，需要采用各種措施提高電感濾波特性，必要時可用多個電感串聯，展寬共模電感的抑制頻率范圍，保證濾波效果。

對此類被測設備還需留意的是，由于沒有金屬外殼屏蔽，濾波器之前的電源線上的EFT干擾會通過空間輻射進入被測設備內部電路，從而形成干擾。此時，脈沖吸收器和電源濾波器應放在靠近設備外殼處，電源線進入設備外殼后立即與脈沖吸收器和電源濾波器連接。防止機箱內多余的帶EFT干擾電源線與內部電路通過空間耦合傳遞EFT干擾。

6、針對信號線試驗應采取的措施

對信號和控制線進行EFT抗擾度測試時，EFT脈沖采用容性耦合夾共模方式注入，與電源端的耦合網絡注入方式相比，注入EFT脈沖的頻譜范圍較窄；注入能量也較低。信號和控制線注入是針對整條電纜進行，不再對電纜內部各傳輸線分別注入或局部組合注入。下面就信號控制線注入在幾種不同情況下的對策進行分別介紹。

7、被測設備的機箱是金屬的

由于EFT抗擾度測試干擾脈沖采用容性耦合夾注入信號控制電纜。消除此類干擾耦合的最佳方法是將被測電纜屏蔽起來。若被測樣品的外殼為金屬外殼且接地，被測電纜在穿過金屬外殼處將屏蔽層與金屬外殼360度環接，通過容性耦合夾進入被測電纜屏蔽層的EFT干擾通過該連接導入金屬外殼，此時，EFT干擾的中高頻分量通過外殼與大地之間的雜散電容耦合到大地，EFT干擾的低頻分量通過外殼的接地線導入大地，并從大地返回干擾源。對沒有保護接地線的被測設備，EFT干擾的低頻成分可能會對被測設備電路產生干擾。此時，補充接地線可以有效克服這類干擾。

對信號控制端口進行測試時，被測設備的電源端口是直接與電源連接的，連接金屬外殼的保護接地線不再像電源端口測試那樣通過耦合/去耦網絡而是直接與插座的保護地線連接，能有效吸收EFT干擾的低頻成分。其作用是非常明顯的。

若屏蔽層有EFT干擾電流流通，則部分高頻干擾會耦合到屏蔽電纜的內部信號線上。此時穿過金屬外殼的信號控制線應在外殼接口處加裝由適當的共模扼流圈（該共模扼流圈可由所有信號線在一個高頻磁環上同向并繞3到10圈構成）和對外殼的共模電容構成的信號線濾波器。若共模電容對信號傳輸有影響，可以通過降低或取消共模電容同時提高共模扼流圈的吸收能力來達到目的。共模扼流圈實際是一種低通濾波器，只有當電感量足夠大時，才能對EFT干擾的低頻成分有效果。但是當扼流圈的電感量較大時（往往匝數較多），雜散電容也較大，扼流圈的高頻抑制效果降低。因此，在實際使用時，需要注意調整扼流圈的匝數，必要時用兩個不同匝數扼流圈串聯起來，兼顧高頻和低頻的要求。

若被測信號控制電纜無法或不便更換為屏蔽電纜，則EFT干擾直接進入到線纜內部的每一根傳輸線上，此時可采取類似電源線處理方法，在信號控制線纜進入金屬外殼入口處加裝瞬態脈沖吸收器與信號線共模濾波器。瞬態脈沖吸收器選擇原則與電源線處理方法相同，其耐壓選擇應與端口的工作電壓相適應。信號線共模濾波器抑制的頻率范圍應能覆蓋電纜上注入的EFT干擾頻率范圍。若此時瞬態脈沖吸收器的結電容和共模濾波器的共模電容對信號傳輸有影響，可選擇結電容較小的瞬態脈沖吸收器并降低或取消共模電容同時提高共模扼流圈的吸收能力來達到目的。若結電容較小的瞬態脈沖吸收器依然影響電纜中的高速信號傳輸時，則只能去掉瞬態脈沖吸收器并將普通電纜換為屏蔽電纜。

8、被測設備機箱是非金屬的

當被測設備機箱為非金屬材料時，可按照圖9的方式，在機箱底部加一塊金屬平板，如圖8所示，從而有效地增加設備對大地的雜散電容，并讓被測設備的保護接地線與金屬平板相連。

此時若將信號控制電纜屏蔽起來，也可以較好抑制EFT干擾。屏蔽電纜進入設備后，屏蔽層通過直接固定的方式與金屬平板連接，穿出金屬屏蔽層的信號線以最短距離與濾波器連接，該濾波器直接安裝在金屬平板上。

若被測信號控制電纜無法或不便更換為屏蔽電纜，在信號控制線纜進入設備外殼的入口處加裝瞬態脈沖吸收器與信號線共模濾波器。同時若瞬態脈沖吸收器的結電容和共模濾波器中的共模電容對信號傳輸有影響。

對此類被測設備還需留意的是，由于沒有金屬外殼屏蔽，濾波器前的信號控制線上的EFT干擾的空間輻射會進入被測設備內部電路，從而對電路形成干擾。所以濾波器及脈沖吸收器盡量靠近接口。

當通過空間遠離的方法依然不能防止信號控制電纜上的空間輻射干擾時，干擾會直接耦合進電路。這時只能對敏感電路進行局部屏蔽。屏蔽體應該是一個完整的六面體。

9、其他端口的防護措施

在EFT抗擾度測試中，并非所有外部信號控制端口都需進行EFT抗擾度測試，這些端口一般連接電纜比較短，標準認為在實際使用過程中不易直接耦合大的EFT干擾，所以不對這些端口EFT抗擾度提出測試要求。若我們按照上邊的設計要求對需進行EFT測試的電源、信號和控制端口采取了相應的抑制措施，在EFT測試過程中，被測電源線、信號控制線上的EFT干擾會向空間輻射，被機箱外的其他端口線纜接收，也會耦合進被測設備內部形成干擾。因此，應針對這些端口采取必要的抑制措施。由于，感應進這些端口的EFT干擾為頻率比較高、幅度比較小的共模干擾，只需在這些端口線進入被測設備入口處采用信號線共模抑制濾波器，就能起到較好的抑制效果，應該注意的是共模抑制濾波器的抑制頻率范圍與端口感應到的EFT干擾頻譜相適應，且濾波器外殼應與金屬機殼或金屬平板良好連接。若端口傳輸的信號為敏感信號，建議采用屏蔽絞線，屏蔽層與金屬機殼或金屬平板良好連接。

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責任編輯：PSY

原文標題：電快速瞬變脈沖群測試原理及對策

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