电快速瞬变脉冲群(EFT)抗扰度试验、分析及其对策
栏目:技术专题 发布时间:2018-10-31
电磁兼容性已经成为衡量电子、电气产品整体质量性能的一个重要指标。它不仅可以反映出设备本身的工作安全性和运行可靠性;而且还可判断是否会对其他设备和系统的正常工作造成影响。

 

近年来,随着科学技术的飞速发展,人们在生产、生活中使用的电气、电子设备也越来越广泛。但由于这些设备的电子电路集成程度越来越高,工作频段越来越宽泛,在工作中经常会有意或无意的产生一些有用或无用的电磁能量。这些能量很可能会干扰到其他设备的正常工作,电磁干扰问题越来越复杂,使得许多技术人员和管理人员也越来越重视电磁兼容设计问题。目前,电磁兼容性已经成为衡量电子、电气产品整体质量性能的一个重要指标。它不仅可以反映出设备本身的工作安全性和运行可靠性;而且还可判断是否会对其他设备和系统的正常工作造成影响。我司为了提高产品的EFT抗干扰水平早在十年前就引进了EFT发生器,用以提高公司产品的EFT抗干扰水平。以下就谈谈大部分电子产品需要通过的EFT抗扰度试验及其对策。

 1. EFT干扰机理及测试

1.1 干扰机理:EFT是由电感性负载(如继电器、接触器产生的传导干扰、高压开关切换产生的辐射干扰等)在断开或接通时,由于开关触点间隙的击穿或触点弹跳等原因,在开关处产生一连串的暂态脉冲(脉冲群)骚扰。当感性负载多次重复通断,则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。产生此类脉冲的原因包括:小型感性负载切换、继电器触电跳动(传导干扰);高压开关装置切换(辐射干扰)。EFT的特点是上升时间快,持续时间短,能量低,但具有较高的重复频率。它一般不会引起设备的损坏,但由于其干扰频谱分布较宽,会对设备正常工作产生影响。其干扰机理为EFT对线路中半导体结电容单向连续充电累积,引起电路乃至设备的误动作。

1.2  EFT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/T 17626.4这一电磁兼容基础标准,并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍下该标准的内容。

1.2.1 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抗扰度是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口、信号和控制端口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。

1.2.2  EFT试验波形 

电快速脉冲群是由间隔为300ms的连续脉冲串构成,每一个脉冲串持续15ms,由数个无极性的单个脉冲波形组成,单个脉冲的上升沿5ns,持续时间50ns,重复频率5K。根据傅立叶变换算法,它的频谱是从5K100M的离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。见图1


                                   1

1.2.3  试验等级及其选择

以下表格(表1)列出了EFT试验等级及分别针对供电电源端口、保护接地以及I/O信号、数据和控制端口对应的电压峰值和重复频率。

为了使公司产品在现场使用中有更佳的可靠性,本公司产品的试验等级大多都选在3级以上;重复频率5100KHz(重复频率增加100KHz使得测试标准比5KHz更严酷)。

1.2.3  试验布置及实施

测试时样品处于正常工作状态,根据端口类型选择相应的试验等级和耦合方式。根据端口类型选择相应的试验等级和耦合方式。根据其端口及其组合,依次施加试验电压。

对电源端子选择耦合/去耦网络施加干扰,耦合电容为33nF(公司使用的EFT发生器内部已含耦合/去耦网络)。对I/O信号、数据和控制端口选择专用容性耦合夹施加干扰,等效耦合电容约为50~200pF

对电源端口,应通过耦合/去耦网络在每一根传输线及传输线各种组合与地之间施加EFT干扰(注意:当受试设备只有两根电源进线(一根L,一根N),而且不设专门接地线时,受试设备就不能在试验时单独再拉一根接地线。同理三芯电源进线也不允许另外再设接地线,而且受试设备的电气接地线必须经受抗扰度试验)。对信号控制端口,一般将连接电缆整体放入容性耦合夹进行测试。哪些端口需进行测试由产品或产品族标准规定。每种组合应在正、负两种脉冲极性下分别进行,每种测试状态持续时间不少于1min。不同的产品或产品族标准对试验实施可根据产品的特点有特别的规定。

2EFT 试验失败原因分析

2.1从干扰施加方式分析

对电源线施加EFT干扰时,信号发生器输出的一端通过33nF的电容注入到被测线上,另一端通过耦合单元的接地端子与大地相连;对信号/控制线施加EFT干扰时,信号发生器输出通过耦合夹与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆。这两种干扰注入都属于对大地的共模注入方式,所有的差模抑制方法对此类干扰无能为力。

2.2从干扰传输方式分析

EFT干扰脉冲含有及其丰富的高频成分,沿线缆传输时,会有一部分干扰能量从线缆中向周围空间辐射,从而进入受试设备,这样受试设备最终受到的是传导和辐射的复合干扰。因此单纯对EFT干扰施加端口采取传导干扰抑制(如:加滤波器)方式不能完全克服干扰的影响。

2.3根据EFT干扰造成设备失效的机理分析

EFT单个脉冲能量较小,一般不会对设备造成影响。但它是持续一段时间的单级性脉冲串,会对设备半导体结电容充电产生累积,最后达到并超过芯片抗扰度电平时,甚至会造成数字系统的位错、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,而且会有一定的偶然性和随机性。测试结果与设备线缆布置、设备运行状态和脉冲参数、脉冲施加的组合等都有极大的相关性。为了抵抗瞬态干扰,大多数电路都在输入端安装积分电路,这对单个脉冲具有很好的抑制作用,但是对脉冲串则不能有效地抑制。

2.4EFT干扰传输途径分析

如图二所示,EFT干扰主要通过以下几种途径干扰被测设备:

aEFT干扰通过耦合单元进入设备电源线和控制信号线,并沿着这些线缆进入被测设备;虽然通过接口滤波器时有所衰减,但依然有较高的干扰电压进入设备内部,影响电路的正常工作。

b)线缆上的干扰同时会在传导过程中向空间辐射,被邻近电缆接收并进入设备内部对电路形成干扰,当没有对EFT所有的连接电缆采取防护措施时,较易出现这种互扰现象。

c)线缆干扰进入设备内部后,直接通过空间辐射被内部电路接收,对电路形成干扰。当PCB接口上有滤波措施,但线缆与电路距离较近时,容易出现这种现象。

                                     图二

3.电子产品通过EFT试验的一般对策

针对以上所列的失败原因,我们可采取的对策包括:

a) 对直接传导干扰以共模抑制为主;)

b) 为抑制传导和辐射两种途径的干扰,除对端口进行滤波外,还需对敏感电路进行屏蔽;

c) 为了抑制密集单极性脉冲群,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采用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,能直接吸收并转化为热能来吸收此类干扰;

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) EFT干扰,若在干扰通道先采用对地的脉冲吸收器来吸收大部分的脉冲电压和能量,再配合吸收式共模滤波器,可起到事半功倍的效果;

f) 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和隔离等措施外,为防止EFT干扰通过空间辐射到其它端口线再从该线侵入敏感设备,应对干扰端口线与其它端口线进行空间分割,并对其它端口也采取适当的共模干扰抑制措施。

总之,EFT干扰广泛存在于日常用电的环境中,而电子类产品中存在大量对EFT干扰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扰度测量项目都包括EFT抗扰度测试。与一般的抗扰度测试相比,EFT干扰有较为独特的地方,因此电子产品设计中除符合一般的电磁兼容抗扰度设计规则外,还需针对EFT干扰特点,采取对应的对策措施。自从公司引进了EFT发生器后,研发人员对产品EFT测试时遇到的问题采取针对性的干扰抑制,使公司产品的EFT抗干扰能力和可靠性得到很大的提升。