電快速脈沖群實驗及其對策綜述

電快速脈沖群實驗（IEC 61000-4-4 EFT/Burst Test)及其對策綜述

一．試驗波形電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，目的是驗證由閃電、接地故障或切換電感性負(fù)載而引起的瞬時擾動的抗干擾能力。這種試驗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。此波形不是感性負(fù)載斷開的實際波形（感性負(fù)載斷開時產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的），而實驗所采用的波形使實驗等級更為嚴(yán)酷。 電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成，每一個脈沖串持續(xù)15ms，由數(shù)個無極性的單個脈沖波形組成，單個脈沖的上升沿5ns，持續(xù)時間50ns，重復(fù)頻率5K。根據(jù)傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100M的離散譜線，每根譜線的距離是脈沖的重復(fù)頻率。

二．實驗設(shè)備
1. 電快速脈沖發(fā)生器其中儲能電容的大小決定單個脈沖的能量；波形形成電阻和儲能電容配合，決定了波形的形狀；阻抗匹配電阻決定了脈沖發(fā)生器的輸出阻抗（標(biāo)準(zhǔn)為50歐姆）；隔直電容則隔離了脈沖發(fā)生器中的直流成分。
2.耦合/去耦網(wǎng)絡(luò) 交/直流電源端口的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN---Couple and Decouple networks），這個網(wǎng)絡(luò)提供了在不對稱條件下把試驗電壓施加到受試設(shè)備的電源端口的能力。這里所謂不對稱干擾是指電源線與大地之間的干擾。可以看到從試驗發(fā)生器來的信號電纜芯線通過可供選擇的耦合電容加到相應(yīng)的電源線（L1、L2、L3、N及PE）上，信號電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的機殼相連，機殼則接到參考接地端子上。耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的作用是將干擾信號耦合到EUT并阻止干擾信號干擾連接在同一電網(wǎng)中的不相干設(shè)備。一些電快速脈沖發(fā)生器已將耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)集成于一體。
3.電容耦合夾關(guān)于電容耦合夾的應(yīng)用，在GB/T17626.4的第6.3節(jié)中指出，耦合夾能在受試設(shè)備各端口的端子、電纜屏蔽層或受試設(shè)備的任何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。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(yīng)盡可能地合攏，以提供電纜和耦合夾之間的最大耦合電容。耦合夾的兩端各有一個高壓同軸接頭，用其最靠近受試設(shè)備的這一端與發(fā)生器通過同軸電纜連接。高壓同軸接頭的芯線與下層耦合板相連，同軸接頭的外殼與耦合夾的底板相通，而耦合夾放在參考接地板上。

三.實驗設(shè)置 下面是在實驗室進(jìn)行電快速脈沖群抗擾度試驗時所必須的配置：
1.參考接地板用厚度為0.25mm以上的銅板或鋁板（需提醒的是，普通鋁板容易氧化，易造成試驗儀器、受試設(shè)備的接地電纜與參考接地板之間塔接不良，宜慎用）；若用其他金屬板材，要求厚度大于0.65mm。 參考接地板的尺寸取決于試驗儀器和受試設(shè)備，以及試驗儀器與受試設(shè)備之間所規(guī)定的接線距離（1m）。參考接地板的各邊至少應(yīng)比上述組合超出0.1m。 參考接地板應(yīng)與實驗室的保護地相連。
2.試驗儀器（包括脈沖群發(fā)生器和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)）放置在參考接地板上。試驗儀器用盡可能粗短的接地電纜與參考接地板連接，并要求在搭接處所產(chǎn)生的阻抗盡可能小。
3.受試設(shè)備用0.1±0.01m的絕緣支座隔開后放在參考接地板上（如果受試設(shè)備是臺式設(shè)備，則應(yīng)放置在離參考接地板高度為0.8±0.08m的木頭桌子上）。受試設(shè)備（或試驗桌子）距參考接地板邊緣的最小尺寸滿足項1（0.1m）的規(guī)定。受試設(shè)備應(yīng)按照設(shè)備的安裝規(guī)范進(jìn)行布置和連接，以滿足它的功能要求。另外，受試設(shè)備應(yīng)按照制造商的安裝規(guī)范，將接地電纜以盡量小的接地阻抗連接到參考接地板上（注意，不允許有額外的接地情況出現(xiàn)）。當(dāng)受試設(shè)備只有兩根電源進(jìn)線（單相，一根L，一根N），而且不設(shè)專門接地線時，受試設(shè)備就不能在試驗時單獨再拉一根接地線。同樣，受試設(shè)備如果通過三芯電源線進(jìn)線（單相，一根L，一根N，及一根電氣接地線），未設(shè)專門接地線時，則此受試設(shè)備也不允許另外再設(shè)接地線來接地，而且受試設(shè)備的這根電氣接地線還必須經(jīng)受抗擾度試驗。
4.受試設(shè)備與試驗儀器之間的相對距離以及電源連線的長度都控制在1m，電源線的離地高度控制在0.1m，如有可能，最好用一個木制支架來擺放電源線。當(dāng)受試設(shè)備的電源線為不可拆卸，而且長度超過1m時，那么超長部分就應(yīng)當(dāng)挽成個直徑為0.4m的扁平線圈，并行地放置在離參考接地板上方0.1m處。受試設(shè)備與試驗儀器之間的距離仍控制為1m。標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，上述電源線不應(yīng)采用屏蔽線，但電源線的絕緣應(yīng)當(dāng)良好。
5.試驗應(yīng)在試驗室中央進(jìn)行，除了位于受試設(shè)備、試驗儀器下方的參考接地板以外，它們與其他所有導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)（例如屏蔽室的墻壁和實驗室里的其他有金屬結(jié)構(gòu)的試驗儀器和設(shè)備）之間的最小距離為0.5m。
6.當(dāng)使用耦合夾做被試系統(tǒng)的抗擾度試驗時，耦合夾應(yīng)放置在參考接地板上，耦合夾到參考接地板的邊緣尺寸的最小距離為0.1m。同樣，除了位于耦合夾下方的參考接地板以外，耦合夾相對所有其他導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)之間的最小距離是0.5m。如果試驗是針對系統(tǒng)中一臺設(shè)備（如EUT1）的抗擾度性能測試來說時，則耦合夾與EUT1的距離關(guān)系保持不變，而將耦合夾相對EUT2的距離增至5m以上（標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為較長的導(dǎo)線足夠使線路上的脈沖群信號損耗殆盡）。耦合夾也可由1米長的鋁箔包裹受試電纜代替，前提是它可以提供和耦合夾一樣的等效電容（100pF）。如果現(xiàn)場條件不允許放置1m長的鋁箔也可以適當(dāng)縮短長度，但仍要保證等效耦合電容。也可以將發(fā)生器的輸出通過100pF的高壓陶瓷電容直接加到受試電纜的芯線或是外皮。
7．在電源線上的試驗通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)以共模方式進(jìn)行，在每一根線（包括設(shè)備的電氣接地線）對地（對參考接地板）施加試驗電壓。要求每一根線在一種試驗電壓極性下做三次，每次一分鐘，中間相隔一分鐘。在一種極性做完后，換做另一個極性。一根線做完后，換做另一根線。當(dāng)然也可以把脈沖同時注入兩根線，甚至幾根線。 四．試驗等級 試驗等級所代表的典型工作環(huán)境如下：1級，具有良好保護的環(huán)境。計算機機房可代表此類環(huán)境；2級，受保護的環(huán)境。工廠和發(fā)電廠的控制室可代表此類環(huán)境；3級，典型工業(yè)環(huán)境。發(fā)電廠和戶外高壓變電站的繼電器房可代表此類環(huán)境；4級，嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境。為采取特別安裝措施的電站或工作電壓高達(dá)50萬伏的開關(guān)設(shè)備可代表此類環(huán)境；X級，由廠家和客戶協(xié)商決定。

電快速脈沖干擾成分：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾

由于脈沖群的單個脈沖波形前沿tr達(dá)到5ns，脈寬達(dá)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(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)的信號波長為5m。對于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度有1m，由于導(dǎo)線長度已經(jīng)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(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實際上是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。很明顯，傳導(dǎo)和輻射的比例將和電源線的長度有關(guān)，線路越短，傳導(dǎo)成分越多，而輻射比例越小；反之，輻射比例就大。這正是同等條件下，為什么金屬外殼的設(shè)備要比非金屬外殼設(shè)備更容易通過測試的道理，因為金屬外殼的設(shè)備抗輻射干擾能力較強。并且輻射的強弱還和電源線與參考接地板之間的相對距離有關(guān)（它反映了受試設(shè)備與接地板之間的分布電容），EUT離參考接地板越近，則分布電容就越大（容抗越小），干擾信號越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見，試驗用的電源線長短，電源線離參考接地板的高度，乃至電源線與受試設(shè)備的相對位置，都可成為影響試驗結(jié)果的因素。因此，為了保證試驗結(jié)果的可重復(fù)性和可比性，注意試驗配置的一致性就變得十分重要。信號線和電源線在一起的直流設(shè)備的測試)

對于像帶有USB數(shù)據(jù)線并通過USB線供電的一類信號線和電源線在一起的設(shè)備，如移動硬盤、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等，我們要采用電容耦合夾的干擾注入方式。因為如果我們選用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，那么去耦網(wǎng)絡(luò)中的去耦電容（0.1uF左右），以及去耦電感（＞100μH），會使工作信號發(fā)生嚴(yán)重失真，特別是對于USB2.0等高速端口，影響更為嚴(yán)重。從而讓實驗不能如實反映設(shè)備的真實狀態(tài)。但如果是單獨的直流電源線（不含信號線），我們?nèi)耘f采用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)來施加干擾。

電快速脈沖干擾是共模性質(zhì)的

在標(biāo)準(zhǔn)提供的實驗設(shè)置圖中可以看到從試驗發(fā)生器來的信號電纜芯線通過可供選擇的耦合電容加到相應(yīng)的電源線（L1、L2、L3、N及PE）上，信號電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的機殼相連，機殼則接到參考接地端子上。這就表明脈沖群干擾實際上是加在電源線與參考大地之間，因此加在電源線上的干擾是共模干擾。而對于采用耦合夾的實驗方式來說，電快速脈沖將通過耦合板與受試電纜之間的分布電容進(jìn)入受試電纜，而受試電纜所接收到的脈沖仍然是相對參考接地板來說的。因此，通過耦合夾對受試電纜所施加的干擾仍然是共模性質(zhì)的。確定了干擾的性質(zhì)，那么我們就可以采取相應(yīng)的措施使設(shè)備順利通過實驗。那么我們不難看出，電源濾波器中所使用的X電容（差模電容）對于EFT干擾是沒有抑制作用的。如果設(shè)備是金屬外殼，Y電容（共模電容）會起作用，將高頻EFT旁路到外殼上面，然后通過設(shè)備外殼和參考地間的分布電容回到信號源，從而不會進(jìn)入電路。電快速脈沖干擾導(dǎo)致設(shè)備失效的機理根據(jù)國外學(xué)者對脈沖群干擾造成設(shè)備失效的機理的研究，單個脈沖的能量較小，不會對設(shè)備造成故障。但脈沖群干擾信號對設(shè)備線路結(jié)電容充電，當(dāng)上面的能量積累到一定程度之后，就可能引起線路（乃至系統(tǒng)）的誤動作。因此，線路出錯會有個時間過程，而且會有一定偶然性（不能保證間隔多少時間，線路一定出錯，特別是當(dāng)試驗電壓達(dá)到臨界點附近時）。而且很難判斷究竟是分別施加脈沖，還是一起施加脈沖，設(shè)備更容易失效。也很難下結(jié)論設(shè)備對于正向脈沖和負(fù)向脈沖哪個更為敏感。實踐表明，一臺設(shè)備往往是某一條電纜線，在某一種試驗電壓，對某個極性特別敏感。實驗顯示，信號線要比電源線對電快速脈沖干擾敏感得多。

設(shè)備通過電快速脈沖測試的有效措施首先我們先分析一下干擾的注入方式：EFT干擾信號是通過耦合去耦網(wǎng)絡(luò)中的33nF的電容耦合到主電源線上面（而信號或控制電纜是通過電容耦合夾施加干擾，等效電容是100pF）。對于33nF的電容，它的截止頻率為100K，也就是100KHZ以上的干擾信號可以通過；而100pF的電容，截止頻率為30M，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過。電快速脈沖的干擾波形為5ns/50ns，重復(fù)頻率5K，脈沖持續(xù)時間15ms，脈沖群重復(fù)周期300ms。根據(jù)傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100M的離散譜線，每根譜線的距離是脈沖的重復(fù)頻率。知道以上幾點，施加干擾的耦合電容扮演了一個高通濾波器的角色，因為電容的阻抗隨著頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號才會進(jìn)入EUT。當(dāng)我們在EUT電路中再加入共模電感（特別要注意的是，這里的共模電感一定要加在主電源線及其回線上，否則會發(fā)生飽和從而達(dá)不到衰減干擾的目的）就可以衰減掉一些高頻干擾成分，因為電感的阻抗隨著頻率的增加而升高。因此，實際施加到EUT上面的干擾信號只有中間頻率部分。但要注意的是，耦合電容和共模電感組成了一條LC串聯(lián)諧振電路，諧振點處的干擾信號幅度最強（諧振點處阻抗最小），而如果此時的電快速脈沖波形恰好在過零點，那么EUT在諧振頻率處不會有問題；但如果諧振頻率恰好發(fā)生在脈沖的峰值時刻，那么EUT就會受到很強的干擾從而失效。所以，要根據(jù)EUT對何種干擾頻率敏感的特性來調(diào)整共模電感的電感量：增大電感值，諧振頻率降低，對頻率較低的干擾抑制效果好；減小電感值，諧振頻率升高，對頻率較高的干擾抑制效果明顯，從而達(dá)到通過試驗的目的。


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