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设计制造中的电磁兼容测试

2015年11月09日 ?? 收藏5

4.瞬态脉冲抗扰度测试常见问题对策及整改措施

4.1 综述

电磁兼容所说的瞬态脉冲是指干扰脉冲是断续性的,一般具有较高的干扰电压,较快速的脉冲上升时间,较宽的频谱范围。一般包括:静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击等。

由于它们具有以上共同特点,因此在试验结果的判断及抑制电路上有较大的共同点。在此处先进行介绍。

4.1.1 瞬态脉冲抗扰度测试常见的试验结果说明

对不同试验结果,可以根据该产品的工作条件和功能规范按以下内容分类:

A:技术要求范围内的性能正常;

B:功能暂时降低或丧失,但可自行恢复性能;

C:功能暂时降低或丧失,要求操作人员干预或系统复位;

D:由于设备(元件)或软件的损坏或数据的丧失,而造成不可恢复的功能降低或丧失。

符合A 的产品,试验结果判合格。这意味着产品在整个试验过程中 功能正常,性能指标符合技术要求。

符合B 的产品,试验结果应视其产品标准、产品使用说明书或者试验大纲的规定,当认为某些影响不重要时,可以判为合格。

符合C 的产品,试验结果除了特殊情况并且不会造成危害以外,多数判为不合格。

符合D 的产品判别为不合格。

符合B 和C 的产品试验报告中应写明B 类或C 类评判依据。符合B 类应记录其丧失功能的时间。

4.1.2 常用的瞬态脉冲抑制电路:

4.1.2.1 箝位二极管保护电路:

工作原理如图 10。

图10 二极管保护电路
图10 二极管保护电路

使用2 只二极管的目的是为了同时抑制正、负极性的瞬态电压。瞬态电压被箝位在V++VPN~V--VPN 范围内,串联电阻担负功率耗散的作用。利用现有电源的电压范围作为瞬态电压的抑制范围,二极管的正向导通电流和串联电阻的阻值决定了该电路的保护能力。本电路具有极好的保护效果,同时其代价低廉,适合成本控制比较严、静电放电强度和频率不十分严重的场合。

4.1.2.2 压敏电阻保护电路:

压敏电阻的阻值随两端电压变化而呈非线性变化。当施加在其两端的电压小于阀值电压时,器件呈现无穷大的电阻;当施加在其两端的电压大于阀值电压时,器件呈现很小电阻值。此物理现象类似稳压管的齐纳击穿现象,不同的是压敏电阻无电压极性要求。使用压敏电阻保护电路的特点是简单、经济、瞬态抑制效果好,且可以获得较大的保护功率。

4.1.2.3 稳压管保护电路:

背对背串接的稳压管对瞬态抑制电路的工作原理是显而易见的。当瞬态电压超过 V1 的稳压值时,V1 反向击穿,V2 正向导通;当瞬态电压是负极性时,V2 反向击穿,V1 正向导通。将这2 只稳压管制作在同一硅片上就制成了稳压管对,使用更加方便。

4.1.2.4 TVS(瞬态电压抑制器)二极管:

这是最近发展起来的一种固态二极管,适用用于 ESD 保护。一般选择工作电压大于或等于电路正常工作电压的器件。TVS 二极管是和被保护电路并联的,当瞬态电压超过电路的正常工作电压时,二极管发生雪崩,为瞬态电流提供通路,使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。由于TVS二极管的结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用。但同时必须注意,结面积大造成结电容增大,因而不适合高频信号电路的保护。改进后的TVS 二极管还具有适应低压电路(<5V )的特点,且封装集成度高,适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。这些特点决定了它有广泛的适用范围,尤其在高档便携设备的接口电路中有很好的使用价值。

下面将对静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击的测试及常见问题对策及整改措施分别展开进行探讨。由于,这三个有较大的共同点,因此在测试及对策上都有较大共同点,下面将对静电放电问题展开详细深入的讨论,而在电快速瞬变脉冲群、浪涌冲击的讨论中出现的相同之处将不再重复探讨。

4.2 静电放电抗扰度测试常见问题对策及整改措施

4.2.1 静电放电形成的机理及其对电子产品的危害

静电是两种介电系数不同的物质磨擦时,正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成。就人体而言,衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

静电源跟其它物体接触时,存在着电荷流动以抵消电压,这个高速电量的传送,将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场,这就是静电放电。

在电子产品的生产和使用过程中,操作者是最活跃的静电源,可能积累一定数量的电荷,当人体接触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。静电放电一般用ESD 表示。

触与地相连的元件、装置的时候就会产生静电放电。静电放电一般用ESD 表示。

ESD 会导致电子设备严重地损坏或操作失常。

大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏,特别是大规模集成电路器件更为脆弱。

静电对器件造成的损坏有显性的和隐性的两种。隐性损坏在当时看不出来,但器件变得更脆弱,在过压、高温等条件下极易损坏。

ESD 两种主要的破坏机制是:由于ESD 电流产生热量导致设备的热失效;由于ESD 感应出高的电压导致绝缘击穿。

除容易造成电路损害外,ESD 也会对电子电路造成干扰。ESD 电路的干扰有二种方式。

一种是传导方式,若电路的某个部分构成了放电路径,即ESD 接侵入设备内的电路,ESD 电流流过集成片的输入端,造成干扰。

ESD 干扰的另一种方式是辐射干扰。即静电放电时伴随火花产生了尖峰电流,这种电流中包含有丰富的高频成分。从而产生辐射磁场和电场,磁场能够在附近电路的各个信号环路中感应出干扰电动势。该干扰电动势很可能超过逻辑电路的阀值电平,引起误触发。辐射干扰的大小还取决于电路与静电放电点的距离。ESD 产生的磁场随距离的平方衰减。。ESD 产生的电场随距离立方衰减。当距离较近时,无论是电场还是磁场都是很强的。ESD 发生时,在附近位置的电路一般会受到影响。

ESD 在近场,辐射耦合的基本方式可以是电容或电感方式,取决于ESD 源和接受器的阻抗。在远场,则存在电磁场耦合。

与ESD 相关的电磁干扰(EMI)能量上限频率可以超过1GHz。在这个频率上,典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而,对于典型的模拟或数字电子设备,ESD 会感应出高电平的噪声。

一般来说,造成损坏,ESD 电火花必须直接接触电路线,而辐射耦合通常只导致失常。

在ESD 作用下,电路中的器件在通电条件下比不通电条件下更易损坏。

4.2.2 电子产品的静电放电测试及相关要求

对不同使用环境、不同用途、不同 ESD 敏感度的电子产品标准对静电放电抗扰度试验的要求是不同的,但这些标准关于ESD 抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.2-1998 (idt IEC 61000-4-2:1995):《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准,并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。

4.2.2.1 试验对象:

该标准所涉及的是处于静电放电环境中和安装条件下的装置、系统、子系统和外部设备。

4.2.2.2 试验内容:

静电放电的起因有多种,但该标准主要描述在低湿度情况下,通过摩擦等因素,使操作者积累了静电。电子和电气设备遭受直接来自操作者的静电放电和对临近物体的静电放电时的抗扰度要求和试验方法。

4.2.2.3 试验目的:

试验单个设备或系统的抗静电干扰的能力。它模拟:(1)操作人员或物体在接触设备时的放电。(2)人或物体对邻近物体的放电。

4.2.2.4 ESD 的模拟:

图 11 和图12 分别给出了ESD 发生器的基本线路和放电电流的波形。

图11:静电放电发生器
图11:静电放电发生器

图12:静电放电的电流波形
图12:静电放电的电流波形

放电线路中的储能电容CS 代表人体电容,现公认150pF 比较合适。放电电阻Rd 为330Ω,用以代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻。现已证明,用这种放电状态来体现人体放电的模型是足够严酷的。

4.2.2.5 试验方法

该标准规定的试验方法有两种:接触放电法和空气放电法。

接触放电法:试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。

空气放电法:将试验发生器的充电电极靠近受试设备并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法。

接触放电是优先选择的试验方法,空气放电则用在不能使用接触放电的场合中。

4.2.2.6 试验等级及其选择:

试验电平以最切合实际的安装环境和条件来选择,表1 提供了一个指导原则。表1 同时也给出了静电放电试验等级的优先选择范围,试验应满足该表所列的较低等级。

图12

4.2.2.7 试验环境

对空气放电该标准规定了环境条件:

环境温度:15℃~35℃、相对湿度:30%~60%RH、大气压力:86kPa~106kPa

对接触放电该标准未规定特定的环境条件。

4.2.2.8 试验布置

标准对试验布置也做出了详细的规定,图 13 所示为台式设备的试验布置示意图。

4.2.2.9 试验实施

实施部位:直接放电施加于操作人员在正常使用受试设备时可能接触到的点或面上;间接放电施加于水平耦合板和垂直耦合板。

直接放电模拟了操作人员对受试设备直接接触时发生的静电放电情况。

间接放电则是对水平耦合板和垂直耦合板进行放电,模拟了操作人员对放置于或安装在受试设备附近的物体放电时的情况。

直接放电时,接触放电为首选形式;只有在不能用接触放电的地方(如表面涂有绝缘层,计算机键盘缝隙等情况)才改用气隙(空气)放电。

间接放电:选用接触放电方式。

试验电压要由低到高逐渐增加到规定值。

不同的产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。

图13:台式设备静电放电布置示意图
图13:台式设备静电放电布置示意图

4.2.2.10 试验结果

若静电放电测试通不过,可能产生如下后果:

(1)直接通过能量交换引起半导体器件的损坏。

(2)放电所引起的电场与磁场变化,造成设备的误动作。

4.2.3 电子产品的静电放电对策及改进要点

有很多办法减小 ESD 产生的电磁干扰(EMI)影响电子产品或设备:完全阻止ESD 产生,阻止EMI(本文中专指因ESD 产生的EMI)耦合到电路或设备以及通过设计工艺增加设备固有的ESD 抗扰性。

ESD 通常发生在产品自身暴露在外的导电物体,或者发生在邻近的导电物体上。对设备而言,容易产生静电放电的部位是:电缆、键盘及暴露在外的金属框架以及设备外壳上的孔、洞、缝隙等。

常用的改进方法是在产品ESD 发生或侵入危险点,例如输入点和地之间设置瞬态保护电路,这些电路仅仅在ESD 感应电压超过极限时发挥作用。保护电路可以包括多个电流分流单元。

有多种电路可以达到ESD 保护的目的,但选用时必须考虑以下原则,并在性能和成本之间加以权衡:速度要快,这是ESD 干扰的特点决定的;能应付大的电流通过;考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生;对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围内;考虑体积因素;考虑产品成本因素。

我们可以从以下几种抑制ESD 干扰的方法中选择适用的对策:

4.2.3.1 外壳设计:

外壳在人手和内部电路间建立隔离层,阻止 ESD 的发生,金属外壳同时也是阻止ESD 间接放电形成的辐射及传导耦合的关键。

一个完整的封闭金属壳能在辐射噪声中屏蔽电路,但由于从电路到屏蔽壳体的ESD 副级电弧可能产生传导耦合,因而一些外壳设计使用绝缘体,在绝缘壳中,放置一个金属的屏蔽体。这种设计的好处是既可以防止因操作者对金属外壳的直接接触放电造成干扰,又可以防止操作者对周围物体放电时形成的EMI 耦合到内部形成干扰,同时在操作者对外壳的孔、洞、缝隙放电时给放电电流一个泄放通道,防止对内部电路直接放电。这种做法的简化是在设备金属外壳上涂绝缘漆或贴一层绝缘物质,使绝缘能力大于20kV。

因为静电会穿过孔洞、缝隙放电,所以绝缘外壳的孔洞、缝隙与内部电路间应留有足够的空间,2cm左右的空气隙可以阻止静电放电的发生。对外壳上的孔、洞、排气口等,用几个小孔代替一个大孔,从EMI 抑制的角度来说更好。为减小EMI 噪声,缝隙边沿每隔一定距离处使用电连接。

对金属外壳而言,外壳各部分之间的搭接非常重要,若机箱两部分之间的搭接阻抗较高,当静电放电电流流过搭接点时,会产生电压降,这可能会影响电路的正常工作。

解决这个问题的方法有两个:1)尽量使外壳保持导电连续,减少搭接阻抗。2)在电路与机箱之间增加一层屏蔽,减小电路与机箱之间的电容耦合。内层屏蔽要与外壳连接起来。

如果是塑料外壳,则要求对电路的接地进行仔细布置,以防止放电电流感应到电路上去。塑料外壳的优点是不会产生直接放电现象。如果塑料外壳上没有大的开孔,则塑料外壳能对电路起到保护作用,但塑料外壳对防止操作者对周围物体放电时耦合到内部形成干扰无抑制能力。

4.2.3.2 接地设计:

一旦发生了静电放电,应该让其尽快旁路人地,不要直接侵入内部电路。例如内部电路如用金属机箱屏蔽,则机箱应良好接地,接地电阻要尽量小,这样放电电流可以由机箱外层流入大地,同时也可以将对周围物体放电时形成的骚扰导入大地,不会影响内部电路。

对金属机箱,通常机箱内的电路会通过I/O 电缆、电源线等接地,当机箱上发生静电放电时,机箱的电位上升,而内部电路由于接地,电位保持在地电位附近。这时,机箱与电路之间存在着很大的电位差。这会在机箱与电路之间引起二次电弧。使电路造成损坏。通过增加电路与外壳之间的距离可以避免二次电弧的发生。当电路与外壳之间的距离不能增加时,可以在外壳与电路之间加一层接地的金属挡板,挡住电弧。

如果电路与机箱连在一起,则只应通过一点连接。防止电流流过电路。线路板与机箱连接的点应在电缆入口处。

对塑料机箱,则不存在机箱接地的问题。

4.2.3.3 电缆设计:

一个正确设计的电缆保护系统可能是提高系统 ESD 非易感性的关键。作为大多数系统中的最大的“天线”— I/O 电缆特别易于被ESD 干扰感应出大的电压或电流。从另一方面,电缆也对ESD 干扰提供低阻抗通道,如果电缆屏蔽同机壳地连接的话。通过该通道ESD 干扰能量可从系统接地回路中释放,因而可间接地避免传导耦合。为减少ESD 干扰辐射耦合到电缆,线长和回路面积要减小,应抑制共模耦合并且使用金属屏蔽。对于输入/输出电缆可采用使用屏蔽电缆、共模扼流圈、过压箝位电路及电缆旁路滤波器措施。在电缆的两端,电缆屏蔽必须与壳体屏蔽连接。在互联电缆上安装一个共模扼流圈可以使静电放电造成的共模电压降在扼流圈上,而不是另一端的电路上。两个机箱之间用屏蔽电缆连接时,通过电缆的屏蔽层将两个机箱连接在一起,这样可以使两个机箱之间的电位差尽量小。这里,机箱与电缆屏蔽层之间的搭接方式很重要。强烈建议在电缆两端的机箱与电缆屏蔽层之间360°搭接。

4.2.3.4 键盘和面板:

键盘和控制面板的设计必须保证放电电流能够直接流到地,而不会经过敏感电路。

对于绝缘键盘,在键与电路之间要安装一个放电防护器(如金属支架),为放电电流提供一条放电路径。放电防护器要直接连接到机箱或机架上,而不能连接到电路地上。当然,用较大的旅钮(增加操作者到内部线路的距离)能够直接防止静电放电。键盘和控制面板的设计应能使放电电流不经过敏感电路而直接到地。采用绝缘轴和大旋钮可以防止向控制键或电位器放电。现在,较多的电子产品面板采用薄膜按键和薄膜显示窗,由于该薄膜由耐高压的绝缘材料构成,可有效防止ESD 通过按键和显示窗进入内部电路形成干扰。另外,现在大多数键盘的按键内部均有由耐高压的绝缘薄膜构成的衬垫,可有效防止ESD 的干扰。

4.2.3.5 电路设计:

设备中不用的输入端不允许处于不连接或悬浮状态,而应当直接或通过适当电阻与地线或电源端相连通。

一般来说,与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路,其中也包括电源线,这一点往往被硬件设计所忽视。以微机为例来讲,应该考虑安排保护电路的环节有:串行通信接口、并行通信接口、键盘接口、显示接口等。

滤波器(分流电容或一系列电感或两者的结合)必须用在电路中以阻止EMI 耦合到设备。如果输入为高阻抗,一个分流电容滤波器最有效,因为它的低阻抗将有效地旁路高的输入阻抗,分流电容越接近输入端越好。如果输入阻抗低,使用一系列铁氧体可以提供最好的滤波器,这些铁氧体也应尽可能接近输入端。

在内部电路上加强防护措施。对于可能遭受直接传导的静电放电干扰的端口,可以在I/O 接口处串接电阻或并联二极管至正负电源端。MOS 管的输入端串接100kΩ电阻,输出端串接1kΩ电阻,以限制放电电流量。TTL 管输人端串接22~100Ω电阻,输出端串接22~47Ω电阻。模拟管输入端串接100Ω~100kΩ,并且加并联二极管,分流放电电流至电源正或负极,模拟管输出端串接100Ω的电阻。

在I/O 信号线上安装一个对地的电容能够将接口电缆上感应的静电放电电流分流到机箱,避免流到电路上。但这个电容也会将机壳上的电流分流到信号线上。为了避免这种情况的发生,可以在旁路电容与线路板之间安装一只铁氧体磁珠,增加流向线路板的路径的阻抗。需要注意的是,电容的耐压一定要满足要求。静电放电的电压可以高达数千伏。

用一个瞬态防护二极管也能够对静电放电起到有效的保护,但需要注意,用二极管虽然将瞬态干扰的电压限制住了,但高频干扰成分并没有减少,该电路中一般应有与瞬态防护二极管并联的高频旁路电容抑制高频干扰。

在电路设计及电路板布线方面,应采用门电路和选通脉冲。这种输入方式只有在静电放电和选通同时发生时才能造成损坏。而脉冲边沿触发输入方式对静电放电引起的瞬变很敏感,不宜采用。

4.2.3.6 PCB 设计:

良好的 PCB 设计可以有效地减少ESD 干扰对产品造成的影响,这也是电磁兼容设计中ESD 设计部分的一个重要的内容,大家可以从那部分课程中得到详细的指引。对一个成品进行电磁兼容对策时,很难再对PCB 进行重新设计(改进成本太高),此处不再加以介绍。

4.2.3.7 软件:

除了硬件措施外,软件抑制方案也是减少系统锁定等严重失常的有力方法。

软件ESD 抑制措施分为两种常用的类别:刷新、检查并且恢复。刷新涉及到周期性地复位到休止状态,并且刷新显示器和指示器状态。只需进行一次刷新然后假设状态是正确的,其它的事就不用做了。

检查/恢复过程用于决定程序是否正确执行,它们在一定间隔时间被激活,以确认程序是否在完成某个功能。如果这些功能没有实现,一个恢复程序被激活。

4.2.4 一般ESD 对策准则:

(1)在易感CMOS、MOS 器件中加入保护二极管;

(2)在易感传输线上(地线在内)串几十欧姆的电阻或铁氧体磁珠;

(3)使用静电保护表面涂敷技术,使ESD 难以机芯放电,经证明十分有效;

(4)尽量使用屏蔽电缆;

(5)在易感接口处安装滤波器;并将无法安装滤波器的敏感接口加以隔离;

(6)选择低脉冲频率的逻辑电路;

(7)外壳屏蔽加良好的接地。

4.3 电快速瞬变脉冲群抗扰度测试常见问题对策及整改措施

4.3.1 电快速瞬变脉冲群形成的机理及其对电子产品的影响

电快速瞬变脉冲群是由电感性负载(如继电器、接触器等)在断开时,由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因,在断开处产生的暂态骚扰。当电感性负载多次重复开关,则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。这种暂态骚扰能量较小,一般不会引起设备的损坏,但由于其频谱分布较宽,所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。

一般认为电快速瞬变脉冲群之所以会造成设备的误动作,是因为脉冲群对线路中半导体结电容充电,当结电容上的能量累积到一定程度,便会引起线路乃至设备的误动作。

4.3.2 电快速瞬变脉冲群测试及相关要求

不同的电子、电气产品标准对电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的要求是不同的,但这些标准关于电快速瞬变脉冲群抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.4-1998 (idt IEC 61000-4-4:1995):《电磁兼容试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准,并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。

4.3.2.1 试验对象:

适用于在住宅区和商业区/工业区使用的在运行条件下的电子、电气设备的电快速瞬变脉冲群的抗扰性能测试。

4.3.2.2 试验内容:

对电气和电子设备的供电电源端口、信号和控制端口在受到重复性快速瞬变脉冲群干扰时的性能进行评定。

4.3.2.3 试验目的:

重复快速瞬变试验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、信号和控制端口的试验。试验的要点是瞬变的短上升时间、重复率和低能量。

电快速速变脉冲群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。

4.3.2.4 试验发生器

试验发生器性能的主要指标有三个:单个脉冲波形、脉冲的重复频率和输出电压峰值。GB/T 17626.4 要求试验发生器输出波形应如图14,15 所示。

图 14:快速瞬变脉冲群概略图
图 14:快速瞬变脉冲群概略图

图15:接50Ω 负载时单个脉冲的波形
图15:接50Ω 负载时单个脉冲的波形

4.3.2.5 试验方法

对交/直流电源端子的选择耦合/去耦网络来施加快速瞬变脉冲群干扰信号。对I/O 信号、数据和控制端口选择快速瞬变脉冲群测试专用的容性耦合夹来施加快速瞬变脉冲群干扰信号。

4.3.2.6 试验等级及其选择:

图16

试验等级应根据下列情况来选择:

----电磁环境; ----骚扰源与关心的设备的邻近情况; ----兼容性裕度。

对具体的产品来说,试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。

4.3.2.7 试验环境

该标准规定的环境条件:

环境温度:15℃~35℃、相对湿度:25%~75%RH、大气压力:86kPa~106kPa

4.3.2.8 试验布置

标准对试验布置也做出了详细的规定,图 16 所示为用于实验室型式试验的一般试验配置示意图。

图16:用于实验室型式试验的一般试验配置
图16:用于实验室型式试验的一般试验配置

4.3.2.9 试验实施

电源、信号和其他功能电量应在其额定的范围内使用,并处于正常的工作状态。

根据要进行试验的EUT 的端口类型选择相应的试验等级和耦合方式。

使受试设备处于典型工作条件下,根据受试设备端口及其组合,依次对各端口施加试验电压。

每种组合应针对不同脉冲极性进行测试,每种状态的试验持续时间不少于1min。

不同的产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。

4.3.2.10 试验结果

若电快速速变脉冲群测试通不过,可能产生如下后果:造成设备的误动作。

4.3.3 导致电快速脉冲试验失败的原因

从脉冲群试验主要是进行电源线和信号/控制线的传导差/共模干扰试验,只是干扰脉冲的波形前沿非常陡峭,持续时间非常短暂,因此含有极其丰富的高频成分,这就导致在干扰波形的传输过程中,会有一部分干扰从传输的线缆中逸出,这样设备最终受到的是传导和辐射的复合干扰。

电快速脉冲试验波形的上升沿很陡,包含了很丰富的高频成分。另外,由于试验脉冲是持续一段时间的脉冲串,因此它对电路的干扰有一个累积效应,大多数电路为了抗瞬态干扰,在输入端安装了积分电路,这种电路对单个脉冲具有很好的抑制作用,但是对于一串脉冲则不能有效地抑制。

电快速脉冲对设备影响的原因有三种,包括:

a)通过电源线直接传导进设备的电源,导致电路的电源线上有过大的噪声电压。当单独对火线或零线注入时,在火线和零线之间存在着差模干扰,这种差模电压会出现在电源的直流输出端。当同时对火线和零线注入时,仅存在着共模电压,由于大部分电源的输入都是平衡的(无论是变压器输入,还是整流桥输入),因此实际共模干扰转变成差模电压的成分很少,对电源的输出影响并不大。

b)干扰能量在电流线上传导的过程中,向空间辐射,这些辐射能量感应到邻近的信号电缆上,对信号电缆连接的电路形成干扰(如果发生这种情况,往往会在直接向信号电缆注入试验脉冲时,导致试验失败)。

c)干扰脉冲信号在电缆(包括信号电缆和电源电缆)上传输时产生的二次辐射能量感应进电路,对电路形成干扰。

4.3.4 通过电快速脉冲试验的整改措施

针对脉冲群干扰,主要采用滤波(电源线和信号线的滤波)及吸收(用铁氧体磁芯来吸收)。采用铁氧体磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效,但要注意做试验时铁氧体磁芯的摆放位置,就是今后要使用铁氧体磁芯的位置,千万不要随意更改,因为脉冲群干扰不仅仅是一个传导干扰,更麻烦的是它还含有辐射的成分,不同的安装位置,辐射干扰的逸出情况各不相同,难以捉摸。一般将铁氧体磁芯用在干扰的源头和设备的入口处最为有效。下面根据端口的不同分别进行探讨。

4.3.4.1 针对电源线试验的措施

解决电源线干扰问题的主要方法是在电源线入口处安装电源线滤波器,阻止干扰进入设备。

快速脉冲通过电源线注入时,可以是差模方式注入,也可以是共模方式注入。

对差模方式注入的一般可以通过差模电容(X 电容)和电感滤波器加以吸收。

若注入到电源线上的电压是共模电压,滤波器必须能对这种共模电压起到抑制作用才能使受试设备顺利通过试验。

下面是用滤波器抑制电源线上的电快速脉冲的方法。

a)设备的机箱是金属的:

这种情况是最容易的。因为机箱是金属的,它与地线面之间有较大的杂散电容,能够为共模电流提供比较固定的通路。这时,只要在电源线的入口处安装一只含有共模滤波电容的电源线滤波器,共模滤波电容就能将干扰旁路掉,使其回到干扰源。由于电源线滤波器中的共模滤波电容受到漏电流的限制,容量较小,因此对于干扰中较低的频率成分主要依靠共模电感抑制。另外,由于设备与地线面之间的接地线具有较大的电感,对于高频干扰成分阻抗较大,因此设备接地与否对试验的结果一般没有什么影响。除了选择高频性能良好的滤波器以外,在安装滤波器时,注意滤波器应靠近金属机箱上的电源入口处,防止电源线二次辐射造成的干扰。

b)设备机箱是非金属的

如果设备的机箱是非金属的,必须在机箱底部加一块金属板,供滤波器中的共模滤波电容接地。这时的共模干扰电流通路通过金属板与地线面之间的杂散电容形成通路。如果设备的尺寸较小,意味着金属板尺寸也较小,这时金属板与地线面之间的电容量较小,不能起到较好的旁路作用。在这种情况下,主要靠电感发挥作用。此时,需要采用各种措施提高电感高频特性,必要时可用多个电感串联。

4.3.4.2 针对信号线试验应采取的措施

快速脉冲通过信号/控制线注入时,由于是采用容性耦合夹注入,属共模注入方式。

a)信号电缆屏蔽:

从试验方法可知,干扰脉冲耦合进信号电缆的方式为电容性耦合。消除电容性耦合的方法是将电缆屏蔽起来,并且接地。因此,用电缆屏蔽的方法解决电快速脉冲干扰的条件是电缆屏蔽层能够与试验中的参考地线面可靠连接。如果设备的外壳是金属的并是接地的设备,这个条件容易满足。当设备的外壳是金属的,但是不接地时,屏蔽电缆只能对电快速脉冲中的高频成分起到抑制作用,这是通过金属机壳与地之间的杂散电容来接地的。如果机箱是非金属机箱,则电缆屏蔽的方法就没有什么效果。

b)信号电缆上安装共模扼流圈:

共模扼流圈实际是一种低通滤波器,只有当电感量足够大时,才能对电快速脉冲群有效果。但是当扼流圈的电感量较大时(往往匝数较多),杂散电容也较大,扼流圈的高频抑制效果降低。而电快速脉冲波形中包含了大量的高频成分。因此,在实际使用时,需要注意调整扼流圈的匝数,必要时用两个不同匝数扼流圈串联起来,兼顾高频和低频的要求。

c)信号电缆上安装共模滤波电容。这种滤波方法比扼流圈具有更好的效果,但是需要金属机箱作为滤波电容的地。另外,这种方法会对差模信号有一定的衰减,在使用时需要注意。

d)对敏感电路局部屏蔽。当设备的机箱为非金属机箱,或者电缆的屏蔽和滤波措施不易实施时,干扰会直接耦合进电路。这时只能对敏感电路进行局部屏蔽。屏蔽体应该是一个完整的六面体。

4.4 浪涌冲击抗扰度测试常见问题对策及整改措施

4.4.1 浪涌冲击形成的机理

电磁兼容领域所指的浪涌冲击一般来源于开关瞬态和雷击瞬态。

4.4.1.1 开关瞬态

系统开关瞬态与以下内容有关:

a)主电源系统切换骚扰,例如电容器组的切换;

b)配电系统内在仪器附近的轻微开关动作或者负荷变化;

c)与开关装置有关的谐振电路,如晶闸管;

d)各种系统故障,例如对设备组接地系统的短路和电弧故障。

4.4.1.2 雷击瞬态

雷电产生浪涌(冲击)电压的主要原理如下:

a)直接雷击于外部电路(户外),注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压;

b)在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流的间接雷击(即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击,这种雷击产生的磁场);

c)附近直接对地放电地 雷电入地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径。当保护装置动作时,电压和电流可能发生迅速变化,并可能耦合到内部电路。

4.4.2 浪涌冲击测试及相关要求

不同的电子、电气产品标准对浪涌(冲击)抗扰度试验的要求是不同的,但这些标准关于浪涌(冲击)抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.5-1999 (idt IEC 61000-4-5:1995):《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准,并按其中的试验方法进行试验。下面就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。

4.4.2.1 适用范围:

适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时,对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪涌(冲击)电压的反应。该标准不对绝缘物耐高压的能力进行试验。该标准不考虑直击雷。

4.4.2.2 试验内容:

对电气和电子设备的供电电源端口、信号和控制端口在受到浪涌(冲击)干扰时的性能进行评定。

4.4.2.3 试验目的:

评定设备在遭受到来自电力线和互连线上高能量浪涌(冲击)骚扰时产品的性能。

4.4.2.4 试验发生器

a)信号发生器的特性应尽可能地模拟开关瞬态和雷击瞬态现象;

b)如果干扰源与受试设备的端口在同一线路中,例如在电源网络中(直接耦合),那么信号发生器在受试设备的端口能够模拟一个低阻抗源;

c)如果干扰源与受试设备的端口不在同一线路中(间接耦合),那么信号发生器能够模拟一个高阻抗源。对于不同场合使用的产品及产品的不同端口,由于相应的浪涌(冲击)瞬态波形,各不相同,因此对应的模拟信号发生器的参数也各不相同。

图17:浪涌(冲击)信号电压及电流波形
图17:浪涌(冲击)信号电压及电流波形

例如:对交流电源端口,通常采用的是1.2/50μs (8/20μs)组合波信号发生器;对电信端口,通常采用的是10/700μs 的符合CCITT 要求的试验信号发生器。浪涌(冲击)波形见图17 所示。

4.4.2.5 试验方法

浪涌(冲击)测试一般应在线进行。

测试时,应根据不同的端口选择对应的波形发生器和相应的耦合/去耦单元,同时也应注意不同状态下的信号源内阻选择。

4.4.2.6 试验等级及其选择:

图19

试验等级应根据安装情况来选择。

对较高等级测试时,试验应满足该表所列的较低等级。

对具体的产品来说,试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。

4.4.2.7 试验环境

该标准规定的环境条件:

环境温度:15℃~35℃、相对湿度:10%~75%RH、大气压力:86kPa~106kPa

4.4.2.8 试验布置

图 18、图19 是交/直流电源端浪涌(冲击)差模和共模试验配置示意图。

图18:用于电源端浪涌(冲击)试验配置(差模方式)
图18:用于电源端浪涌(冲击)试验配置(差模方式)

图19:用于电源端浪涌(冲击)试验配置(共模方式)
图19:用于电源端浪涌(冲击)试验配置(共模方式)

4.4.2.9 试验实施

电源、信号和其他功能电量应在其额定的范围内使用,并处于正常的工作状态。

根据要进行试验的EUT 的端口类型选择相应的试验试验波形发生器和耦合单元及相应的信号源内阻。

使受试设备处于典型工作条件下,根据受试设备端口及其组合,依次对各端口施加冲击电压,。

每种组合应针对不同脉冲极性进行测试,两次脉冲间隔时间不少于1min。

对电源端子进行浪涌测试时,应在交流电压波形的正、负峰值和过零点分别施加试验电压。

对电源线和信号线应分别在不同组合的共模和差模状态下施加脉冲冲击。

每种组合状态至少进行5 次脉冲冲击。

若需满足较高等级的测试要求,也应同时进行较低等级的测试,只有两者同时满足,我们才认为测试通过。

不同的产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。

4.4.2.10 试验结果

若电快速速变脉冲群测试通不过,可能产生如下后果:

(1)引起接口电路器件的击穿损坏。

(2)造成设备的误动作。

4.4.3 导致浪涌冲击抗扰度试验失败的原因

浪涌脉冲的上升时间较长,脉宽较宽,不含有较高的频率成分,因此对电路的干扰以传导为主。主要体现在过高的差模电压幅度导致输入器件击穿损坏,或者过高的共模电压导致线路与地之间的绝缘层击穿。由于器件击穿后阻抗很低,浪涌发生器产生的很大的电流随之使器件过热发生损坏。

对于有较大平滑电容的整流电路,过电流使器件损坏也可能是首先发生的。例如,对开关电源的高压整流滤波电路而言,浪涌到来时,整流电路和平滑电容提供了很低的阻抗,浪涌发生器输出的很大的电流流过整流二极管,当整流二极管不能承受这个电流时,就发生过热而烧毁。随着电容的充电,电容上的电压也会达到很高,有可能导致电容击穿损坏。

4.4.4 通过浪涌抗扰度试验应采取的措施

雷击浪涌试验有共模和差模两种,因此浪涌吸收器件的使用要考虑到与试验的对应情况。为保证使用效果,浪涌吸收器件要用在进线入口处。由于浪涌吸收过程中的di/dt 特别大,在器件附近不能有信号线和电源线经过,以防止因电磁耦合将干扰引入信号和电源线路。此外,浪涌吸收器件的引脚要短;吸收器件的吸收容量要与浪涌电压和电流的试验等级相匹配。

雷击浪涌试验的最大特点是能量特别大,所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基本无效,必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌抑制器件才行。

浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同。正常电压下,它的阻抗很高,对电路的工作没有影响,当有很高的浪涌电压加在它上面时,它的阻抗变得很低,将浪涌能量旁路掉这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间,当浪涌电压出现时,迅速导通,以将电压幅度限制在一定的值上。

压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管具有不同的伏安特性,因此浪涌通过它们时发生的变化不同,图20 对浪涌通过这三种器件时的变化进行了比较。

图20:浪涌冲击通过不同的抑制器件时的电压波形示意图
图20:浪涌冲击通过不同的抑制器件时的电压波形示意图

4.4.4.1 压敏电阻

当压敏电阻上的电压超过一定幅度时,电阻的阻值大幅度降低,从而浪涌能量泄放掉。在浪涌电压作用下,导通后的压敏电阻上的电压(一般称为钳位电压),等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的阻值,因此在浪涌电流的峰值处钳位电压达到最高。

(1)优点:峰值电流承受能力较大,价格低。

(2)缺点:钳位电压较高(取决于最大浪涌电流),一般可以达到工作电压的2~3 倍,因此电路必须能承受这么高的浪涌电压。另外,压敏电阻随着受到浪涌冲击次数的增加,漏电流增加。如果在交流电源线上应用会导致漏电流超过安全规定的现象,严重时,压敏电阻会因过热而爆炸。压敏电阻的其他缺点还有:响应时间较长,寄生电容较大。

(3)适用场合:直流电源线、低频信号线,或者与气体放电管串联起来用在交流电源线上。

4.4.4.2 瞬态抑制二极管(TVS)

当 TVS 上的电压超过一定幅度时,器件迅速导通,从而将浪涌能量泄放掉。由于这类器件导通后阻抗很小,因此它的钳位电压很平坦,并且很接近工作电压。

(1)优点:响应时间短,钳位电压低(相对于工作电压)。

(2)缺点:由于所有功率都耗散在二极管的PN 结上,因此它所承受的功率值较小,允许流过的电流较小。一般的TVS 器件的寄生电容较大,如在高速数据线上使用,要用特制的低电容器件,但是低电容器件的额定功率往往较小。

(3)适用场合:浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大,要与其他大功率浪涌抑制器件一同使用,TVS 作为后级防护。

4.4.4.3 气体放电管

当气体放电管上的电压超过一定幅度时,器件变为短路状态,阻抗几乎为零。这种导通原理与控制电感性负载的开关触点被击穿的原理相同,只是这里两个触点之间的距离和气体环境是控制好的,可使击穿电压为一个确定值。气体放电管一旦导通后,它上面的电压会很低。

(1)优点:承受电流大,寄生电容小。

(2)缺点:响应时间长。另外,由于维持它导通所需要的电压很低,因此当浪涌电压过后,只要加在气体放电管上的电压高于维持电压,它就会保持导通,在交流场合应用时,只有当交流电过零点时,它才会断开,因此会有一定的惯用电流。由于跟随电流的时间较长,会导致放电管触点迅速烧毁,从而缩短放电管的寿命。

(3)适用场合:信号线或工作电压低于导通维持电压的直流电源线上(一般低于10V);与压敏电阻组合起来用在交流电源线上。

4.4.4.4 气体放电管和压敏电阻组合应用

气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电源线上使用。气体放电管的问题是它的电流效应。压敏电阻的问题是随着受浪涌作用的次数增加交流漏电流增加。一个实用的方案是将气体放电管与压敏电阻串联起来使用。如果同时敏电阻上并联一个电容,浪涌电压到来时,可以更快地将电压加到气体放电管上,缩短导通时间。

这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外,还有一个好处就是可以降低限幅电压值。在这里可以使用导通电压较低(低于工作电压)的压敏电阻。从而可以降低限幅电压值。该连接方式对浪涌电压的抑制作用如图21 所示。

图21:气体放电管和压敏电阻串联使用的效果
图21:气体放电管和压敏电阻串联使用的效果

采用组合式保护方案能发挥不同保护器件的各自特点,从而取得最好的保护效果。浪涌经过压敏电阻和气体放电管后,会残留一个较窄的脉冲,这是由于气体放电管导通点较高所致。由于这个脉冲较窄,因此很容易用低通滤波器滤除。实用的浪涌防护电路是在浪涌抑制器的后面加低通滤波器。

4.4.4.5 地线反弹的抑制

当并联型的浪涌抑制器发挥作用时,它将浪涌能量旁路到地线上。由于地线都是有一定阻的,因此当电流流过地线时,地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。

地线反弹对设备的影响如下:

(1)浪涌抑制器的地与设备的地不在同一点,设备的线路实际上没有受到保护,较高的浪源电压仍然加到了设备的电源线与地之间。解决办法是在线路与设备的外壳(地)之间再并联一只浪涌抑制器。

(2)浪涌抑制器的地与设备的地在同一点,这时,该台设备的线路与地之间没有浪涌电压,受到了保护,但是如果这个设备与其他设备连接在一起,另一台设备就要承受共模电压。这个共模电压会出现在所有连接设备1 与设备2 的电缆上。解决的方法是在互连电缆的设备2 一端安装浪涌抑制器。

4.4.4.6 浪涌抑制器件的正确使用

需要注意的是,浪涌抑制器件的寿命不是永久的,总会失效。因此,在结构设计上,应该便于更换浪涌抑制器件。并且,当浪涌抑制器件失效时,应该有明显的显示,提醒维护人员进行更换。浪涌抑制器件的失效模式一般为短路,这可以称为安全模式。因为当浪涌抑制器短路时,线路会出现故障,从而提醒维修人员更换浪涌抑制器。但是,也有开路失效模式的可能性,这时往往会给设备带来潜在危险,因为设备会直接处于没有保护的状态下。

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