電快速脈沖群實(shí)驗(yàn)及其對(duì)策綜述

電快速脈沖群實(shí)驗(yàn)（IEC 61000-4-4 EFT/Burst Test)及其對(duì)策綜述

一．試驗(yàn)波形電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證由閃電、接地故障或切換電感性負(fù)載而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)的抗干擾能力。這種試驗(yàn)是一種耦合到電源線(xiàn)路、控制線(xiàn)路、信號(hào)線(xiàn)路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗(yàn)。此波形不是感性負(fù)載斷開(kāi)的實(shí)際波形（感性負(fù)載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的），而實(shí)驗(yàn)所采用的波形使實(shí)驗(yàn)等級(jí)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(gè)脈沖串持續(xù)15ms，由數(shù)個(gè)無(wú)極性的單個(gè)脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿5ns，持續(xù)時(shí)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(xiàn)，每根譜線(xiàn)的距離是脈沖的重復(fù)頻率。

二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1. 電快速脈沖發(fā)生器其中儲(chǔ)能電容的大小決定單個(gè)脈沖的能量；波形形成電阻和儲(chǔ)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(gè)網(wǎng)絡(luò)提供了在不對(duì)稱(chēng)條件下把試驗(yàn)電壓施加到受試設(shè)備的電源端口的能力。這里所謂不對(duì)稱(chēng)干擾是指電源線(xiàn)與大地之間的干擾。可以看到從試驗(yàn)發(fā)生器來(lái)的信號(hào)電纜芯線(xiàn)通過(guò)可供選擇的耦合電容加到相應(yīng)的電源線(xiàn)（L1、L2、L3、N及PE）上，信號(hào)電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的機(jī)殼相連，機(jī)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(hào)耦合到EUT并阻止干擾信號(hào)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(wú)任何電連接的情況下把快速瞬變脈沖群耦合到受試線(xiàn)路上。受試線(xiàn)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(gè)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(guò)同軸電纜連接。高壓同軸接頭的芯線(xiàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)置 下面是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電快速脈沖群抗擾度試驗(yàn)時(shí)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(yàn)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(yàn)儀器和受試設(shè)備，以及試驗(yàn)儀器與受試設(shè)備之間所規(guī)定的接線(xiàn)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(shí)驗(yàn)室的保護(hù)地相連。
2.試驗(yàn)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(yàn)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(kāi)后放在參考接地板上（如果受試設(shè)備是臺(tái)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(yàn)桌子）距參考接地板邊緣的最小尺寸滿(mǎn)足項(xiàng)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(mǎn)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(xiàn)（單相，一根L，一根N），而且不設(shè)專(zhuān)門(mén)接地線(xiàn)時(shí)，受試設(shè)備就不能在試驗(yàn)時(shí)單獨(dú)再拉一根接地線(xiàn)。同樣，受試設(shè)備如果通過(guò)三芯電源線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)（單相，一根L，一根N，及一根電氣接地線(xiàn)），未設(shè)專(zhuān)門(mén)接地線(xiàn)時(shí)，則此受試設(shè)備也不允許另外再設(shè)接地線(xiàn)來(lái)接地，而且受試設(shè)備的這根電氣接地線(xiàn)還必須經(jīng)受抗擾度試驗(yàn)。
4.受試設(shè)備與試驗(yàn)儀器之間的相對(duì)距離以及電源連線(xiàn)的長(zhǎng)度都控制在1m，電源線(xiàn)的離地高度控制在0.1m，如有可能，最好用一個(gè)木制支架來(lái)擺放電源線(xiàn)。當(dāng)受試設(shè)備的電源線(xiàn)為不可拆卸，而且長(zhǎng)度超過(guò)1m時(shí)，那么超長(zhǎng)部分就應(yīng)當(dāng)挽成個(gè)直徑為0.4m的扁平線(xiàn)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(yàn)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(xiàn)不應(yīng)采用屏蔽線(xiàn)，但電源線(xiàn)的絕緣應(yīng)當(dāng)良好。
5.試驗(yàn)應(yīng)在試驗(yàn)室中央進(jìn)行，除了位于受試設(shè)備、試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室里的其他有金屬結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)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(yàn)時(shí)，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(duì)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(yàn)是針對(duì)系統(tǒng)中一臺(tái)設(shè)備（如EUT1）的抗擾度性能測(cè)試來(lái)說(shuō)時(shí)，則耦合夾與EUT1的距離關(guān)系保持不變，而將耦合夾相對(duì)EUT2的距離增至5m以上（標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為較長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)足夠使線(xiàn)路上的脈沖群信號(hào)損耗殆盡）。耦合夾也可由1米長(zhǎng)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(chǎng)條件不允許放置1m長(zhǎng)的鋁箔也可以適當(dāng)縮短長(zhǎng)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(guò)100pF的高壓陶瓷電容直接加到受試電纜的芯線(xiàn)或是外皮。
7．在電源線(xiàn)上的試驗(yàn)通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)以共模方式進(jìn)行，在每一根線(xiàn)（包括設(shè)備的電氣接地線(xiàn)）對(duì)地（對(duì)參考接地板）施加試驗(yàn)電壓。要求每一根線(xiàn)在一種試驗(yàn)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(gè)極性。一根線(xiàn)做完后，換做另一根線(xiàn)。當(dāng)然也可以把脈沖同時(shí)注入兩根線(xiàn)，甚至幾根線(xiàn)。 四．試驗(yàn)等級(jí) 試驗(yàn)等級(jí)所代表的典型工作環(huán)境如下：1級(jí)，具有良好保護(hù)的環(huán)境。計(jì)算機(jī)機(jī)房可代表此類(lèi)環(huán)境；2級(jí)，受保護(hù)的環(huán)境。工廠和發(fā)電廠的控制室可代表此類(lèi)環(huán)境；3級(jí)，典型工業(yè)環(huán)境。發(fā)電廠和戶(hù)外高壓變電站的繼電器房可代表此類(lèi)環(huán)境；4級(jí)，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(wàn)伏的開(kāi)關(guān)設(shè)備可代表此類(lèi)環(huán)境；X級(jí)，由廠家和客戶(hù)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(gè)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(hào)波長(zhǎng)為5m。對(duì)于一根載有60MHz以上頻率的電源線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果長(zhǎng)度有1m，由于導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度已經(jīng)可以和信號(hào)的波長(zhǎng)可比，不能再以普通傳輸線(xiàn)來(lái)考慮，信號(hào)在線(xiàn)上的傳輸過(guò)程中，部分依然可以通過(guò)傳輸線(xiàn)進(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線(xiàn)上逸出，成為輻射信號(hào)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(shí)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(xiàn)的長(zhǎng)度有關(guān)，線(xiàn)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(guò)測(cè)試的道理，因?yàn)榻饘偻鈿さ脑O(shè)備抗輻射干擾能力較強(qiáng)。并且輻射的強(qiáng)弱還和電源線(xiàn)與參考接地板之間的相對(duì)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?。?，干擾信號(hào)越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)用的電源線(xiàn)長(zhǎng)短，電源線(xiàn)離參考接地板的高度，乃至電源線(xiàn)與受試設(shè)備的相對(duì)位置，都可成為影響試驗(yàn)結(jié)果的因素。因此，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性和可比性，注意試驗(yàn)配置的一致性就變得十分重要。信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)在一起的直流設(shè)備的測(cè)試)

對(duì)于像帶有USB數(shù)據(jù)線(xiàn)并通過(guò)USB線(xiàn)供電的一類(lèi)信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)在一起的設(shè)備，如移動(dòng)硬盤(pán)、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?yàn)槿绻覀冞x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(huì)使工作信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重失真，特別是對(duì)于USB2.0等高速端口，影響更為嚴(yán)重。從而讓實(shí)驗(yàn)不能如實(shí)反映設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)。但如果是單獨(dú)的直流電源線(xiàn)（不含信號(hào)線(xiàn)），我們?nèi)耘f采用耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(shí)驗(yàn)設(shè)置圖中可以看到從試驗(yàn)發(fā)生器來(lái)的信號(hào)電纜芯線(xiàn)通過(guò)可供選擇的耦合電容加到相應(yīng)的電源線(xiàn)（L1、L2、L3、N及PE）上，信號(hào)電纜的屏蔽層則和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的機(jī)殼相連，機(jī)殼則接到參考接地端子上。這就表明脈沖群干擾實(shí)際上是加在電源線(xiàn)與參考大地之間，因此加在電源線(xiàn)上的干擾是共模干擾。而對(duì)于采用耦合夾的實(shí)驗(yàn)方式來(lái)說(shuō)，電快速脈沖將通過(guò)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(duì)參考接地板來(lái)說(shuō)的。因此，通過(guò)耦合夾對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)。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(duì)于EFT干擾是沒(méi)有抑制作用的。如果設(shè)備是金屬外殼，Y電容（共模電容）會(huì)起作用，將高頻EFT旁路到外殼上面，然后通過(guò)設(shè)備外殼和參考地間的分布電容回到信號(hào)源，從而不會(huì)進(jìn)入電路。電快速脈沖干擾導(dǎo)致設(shè)備失效的機(jī)理根據(jù)國(guó)外學(xué)者對(duì)脈沖群干擾造成設(shè)備失效的機(jī)理的研究，單個(gè)脈沖的能量較小，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成故障。但脈沖群干擾信號(hào)對(duì)設(shè)備線(xiàn)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(xiàn)路（乃至系統(tǒng)）的誤動(dòng)作。因此，線(xiàn)路出錯(cuò)會(huì)有個(gè)時(shí)間過(guò)程，而且會(huì)有一定偶然性（不能保證間隔多少時(shí)間，線(xiàn)路一定出錯(cuò)，特別是當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到臨界點(diǎn)附近時(shí)）。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(duì)于正向脈沖和負(fù)向脈沖哪個(gè)更為敏感。實(shí)踐表明，一臺(tái)設(shè)備往往是某一條電纜線(xiàn)，在某一種試驗(yàn)電壓，對(duì)某個(gè)極性特別敏感。實(shí)驗(yàn)顯示，信號(hào)線(xiàn)要比電源線(xiàn)對(duì)電快速脈沖干擾敏感得多。

設(shè)備通過(guò)電快速脈沖測(cè)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(hào)是通過(guò)耦合去耦網(wǎng)絡(luò)中的33nF的電容耦合到主電源線(xiàn)上面（而信號(hào)或控制電纜是通過(guò)電容耦合夾施加干擾，等效電容是100pF）。對(duì)于33nF的電容，它的截止頻率為100K，也就是100KHZ以上的干擾信號(hào)可以通過(guò)；而100pF的電容，截止頻率為30M，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過(guò)。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(shí)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(xiàn)，每根譜線(xiàn)的距離是脈沖的重復(fù)頻率。知道以上幾點(diǎn)，施加干擾的耦合電容扮演了一個(gè)高通濾波器的角色，因?yàn)殡娙莸淖杩闺S著頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會(huì)被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號(hào)才會(huì)進(jìn)入EUT。當(dāng)我們?cè)贓UT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(xiàn)及其回線(xiàn)上，否則會(huì)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?yàn)殡姼械淖杩闺S著頻率的增加而升高。因此，實(shí)際施加到EUT上面的干擾信號(hào)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(diǎn)處的干擾信號(hào)幅度最強(qiáng)（諧振點(diǎn)處阻抗最?。?，而如果此時(shí)的電快速脈沖波形恰好在過(guò)零點(diǎn)，那么EUT在諧振頻率處不會(huì)有問(wèn)題；但如果諧振頻率恰好發(fā)生在脈沖的峰值時(shí)刻，那么EUT就會(huì)受到很強(qiáng)的干擾從而失效。所以，要根據(jù)EUT對(duì)何種干擾頻率敏感的特性來(lái)調(diào)整共模電感的電感量：增大電感值，諧振頻率降低，對(duì)頻率較低的干擾抑制效果好；減小電感值，諧振頻率升高，對(duì)頻率較高的干擾抑制效果明顯，從而達(dá)到通過(guò)試驗(yàn)的目的。


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