電快速瞬變脈沖群(EFT)抗擾度試驗、分析及其對策

欄目:技術專題 發布時間:2018-10-31
電磁兼容性已經成為衡量電子、電氣產品整體質量性能的一個重要指標。它不僅可以反映出設備本身的工作安全性和運行可靠性;而且還可判斷是否會對其他設備和系統的正常工作造成影響。

 

近年來,隨著科學技術的飛速發展,人們在生產、生活中使用的電氣、電子設備也越來越廣泛。但由于這些設備的電子電路集成程度越來越高,工作頻段越來越寬泛,在工作中經常會有意或無意的產生一些有用或無用的電磁能量。這些能量很可能會干擾到其他設備的正常工作,電磁干擾問題越來越復雜,使得許多技術人員和管理人員也越來越重視電磁兼容設計問題。目前,電磁兼容性已經成為衡量電子、電氣產品整體質量性能的一個重要指標。它不僅可以反映出設備本身的工作安全性和運行可靠性;而且還可判斷是否會對其他設備和系統的正常工作造成影響。我司為了提高產品的EFT抗干擾水平早在十年前就引進了EFT發生器,用以提高公司產品的EFT抗干擾水平。以下就談談大部分電子產品需要通過的EFT抗擾度試驗及其對策。

 1. EFT干擾機理及測試

1.1 干擾機理:EFT是由電感性負載(如繼電器、接觸器產生的傳導干擾、高壓開關切換產生的輻射干擾等)在斷開或接通時,由于開關觸點間隙的擊穿或觸點彈跳等原因,在開關處產生一連串的暫態脈沖(脈沖群)騷擾。當感性負載多次重復通斷,則脈沖群又會以相應的時間間隙多次重復出現。產生此類脈沖的原因包括:小型感性負載切換、繼電器觸電跳動(傳導干擾);高壓開關裝置切換(輻射干擾)。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。它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。

1.2  EFT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/T 17626.4這一電磁兼容基礎標準,并按其中的試驗方法進行試驗。下面就簡要介紹下該標準的內容。

1.2.1 適用對象及試驗目的

EFT抗擾度試驗適用于在住宅區、商業區、工業區使用的各類電子、電氣設備。

EFT抗擾度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備的電源端口、信號和控制端口并觀察被測設備在遭受這些脈沖干擾時對原有性能保持程度的一種測試。試驗的目的就是為了檢驗電子、電氣設備在遭受這類暫態騷擾影響時的性能。通過測試對電氣和電子設備在受到重復性快速瞬變脈沖群干擾時的性能進行評定。

1.2.2  EFT試驗波形 

電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續脈沖串構成,每一個脈沖串持續15ms,由數個無極性的單個脈沖波形組成,單個脈沖的上升沿5ns,持續時間50ns,重復頻率5K。根據傅立葉變換算法,它的頻譜是從5K100M的離散譜線,每根譜線的距離是脈沖的重復頻率。見圖1


                                   1

1.2.3  試驗等級及其選擇

以下表格(表1)列出了EFT試驗等級及分別針對供電電源端口、保護接地以及I/O信號、數據和控制端口對應的電壓峰值和重復頻率。

為了使公司產品在現場使用中有更佳的可靠性,本公司產品的試驗等級大多都選在3級以上;重復頻率5100KHz(重復頻率增加100KHz使得測試標準比5KHz更嚴酷)。

1.2.3  試驗布置及實施

測試時樣品處于正常工作狀態,根據端口類型選擇相應的試驗等級和耦合方式。根據端口類型選擇相應的試驗等級和耦合方式。根據其端口及其組合,依次施加試驗電壓。

對電源端子選擇耦合/去耦網絡施加干擾,耦合電容為33nF(公司使用的EFT發生器內部已含耦合/去耦網絡)。對I/O信號、數據和控制端口選擇專用容性耦合夾施加干擾,等效耦合電容約為50~200pF。

對電源端口,應通過耦合/去耦網絡在每一根傳輸線及傳輸線各種組合與地之間施加EFT干擾(注意:當受試設備只有兩根電源進線(一根L,一根N),而且不設專門接地線時,受試設備就不能在試驗時單獨再拉一根接地線。同理三芯電源進線也不允許另外再設接地線,而且受試設備的電氣接地線必須經受抗擾度試驗)。對信號控制端口,一般將連接電纜整體放入容性耦合夾進行測試。哪些端口需進行測試由產品或產品族標準規定。每種組合應在正、負兩種脈沖極性下分別進行,每種測試狀態持續時間不少于1min。不同的產品或產品族標準對試驗實施可根據產品的特點有特別的規定。

2、EFT 試驗失敗原因分析

2.1從干擾施加方式分析

對電源線施加EFT干擾時,信號發生器輸出的一端通過33nF的電容注入到被測線上,另一端通過耦合單元的接地端子與大地相連;對信號/控制線施加EFT干擾時,信號發生器輸出通過耦合夾與受試電纜之間的分布電容進入受試電纜。這兩種干擾注入都屬于對大地的共模注入方式,所有的差模抑制方法對此類干擾無能為力。

2.2從干擾傳輸方式分析

EFT干擾脈沖含有及其豐富的高頻成分,沿線纜傳輸時,會有一部分干擾能量從線纜中向周圍空間輻射,從而進入受試設備,這樣受試設備最終受到的是傳導和輻射的復合干擾。因此單純對EFT干擾施加端口采取傳導干擾抑制(如:加濾波器)方式不能完全克服干擾的影響。

2.3根據EFT干擾造成設備失效的機理分析

EFT單個脈沖能量較小,一般不會對設備造成影響。但它是持續一段時間的單級性脈沖串,會對設備半導體結電容充電產生累積,最后達到并超過芯片抗擾度電平時,甚至會造成數字系統的位錯、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,而且會有一定的偶然性和隨機性。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。為了抵抗瞬態干擾,大多數電路都在輸入端安裝積分電路,這對單個脈沖具有很好的抑制作用,但是對脈沖串則不能有效地抑制。

2.4EFT干擾傳輸途徑分析

如圖二所示,EFT干擾主要通過以下幾種途徑干擾被測設備:

aEFT干擾通過耦合單元進入設備電源線和控制信號線,并沿著這些線纜進入被測設備;雖然通過接口濾波器時有所衰減,但依然有較高的干擾電壓進入設備內部,影響電路的正常工作。

b)線纜上的干擾同時會在傳導過程中向空間輻射,被鄰近電纜接收并進入設備內部對電路形成干擾,當沒有對EFT所有的連接電纜采取防護措施時,較易出現這種互擾現象。

c)線纜干擾進入設備內部后,直接通過空間輻射被內部電路接收,對電路形成干擾。當PCB接口上有濾波措施,但線纜與電路距離較近時,容易出現這種現象。

                                     圖二

3.電子產品通過EFT試驗的一般對策

針對以上所列的失敗原因,我們可采取的對策包括:

a) 對直接傳導干擾以共模抑制為主;)

b) 為抑制傳導和輻射兩種途徑的干擾,除對端口進行濾波外,還需對敏感電路進行屏蔽;

c) 為了抑制密集單極性脈沖群,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采用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,能直接吸收并轉化為熱能來吸收此類干擾;

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) EFT干擾,若在干擾通道先采用對地的脈沖吸收器來吸收大部分的脈沖電壓和能量,再配合吸收式共模濾波器,可起到事半功倍的效果;

f) 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和隔離等措施外,為防止EFT干擾通過空間輻射到其它端口線再從該線侵入敏感設備,應對干擾端口線與其它端口線進行空間分割,并對其它端口也采取適當的共模干擾抑制措施。

總之,EFT干擾廣泛存在于日常用電的環境中,而電子類產品中存在大量對EFT干擾非常敏感的模擬和數字電路,因此,絕大多數電子產品的電磁兼容抗擾度測量項目都包括EFT抗擾度測試。與一般的抗擾度測試相比,EFT干擾有較為獨特的地方,因此電子產品設計中除符合一般的電磁兼容抗擾度設計規則外,還需針對EFT干擾特點,采取對應的對策措施。自從公司引進了EFT發生器后,研發人員對產品EFT測試時遇到的問題采取針對性的干擾抑制,使公司產品的EFT抗干擾能力和可靠性得到很大的提升。

 

 

 

 

 

 


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