一、快速瞬变脉冲群的干扰机制
1.实验的目的
电气快速瞬态EFT试验的目的是验证电子设备的机械开关对感性负载切换、继电器触点弹跳、高压开关切换引起的瞬时扰动的抗干扰能力。这种测试方法是由耦合到电源线、控制线和信号线的许多快速瞬态脉冲组成的脉冲组测试。电力设备或监测电网的设备、工业自动化中使用的设备、医疗监控等检测微弱信号的设备容易出现问题。
2.干扰特征
EFT的特点是上升时间快，持续时间短，能量低，但重复频率高。EFT一般不会对设备造成损害，但由于干扰频谱分布较广，会影响设备的正常运行。干扰机理是EFT对线路中的半导体结电容单向连续充电积累，造成电路甚至设备的误动作。
1)电气快速瞬态试验及相关要求。
不同的电子电气产品标准对EFT抗扰度测试有不同的要求，但这些标准大多直接或间接参考电磁兼容基础标准GB/T17626.4，按照其测试方法进行测试。下面简单介绍一下本标准的内容。
2)信号发生器和测试波形
a)信号发生器
其中，U为高压DC电源，Rc为充电电阻，Cc为储能电容，Rs为内部放电电阻，Rm为阻抗匹配电阻，Cd为DC隔直电容，R0为外部负载电阻。Cc的大小决定了单个脉冲的能量，Cc和Rs的配合决定了脉冲波的形状(尤其是脉冲的持续时间)，Rm决定了脉冲群发生器的输出阻抗(按标准是50)，Cd是隔离的。
b)实验波形
测试发生器的性能主要有三个指标：单脉冲波形、脉冲重复频率和输出电压峰值。IEC 61000-4-4要求测试发生器的输出波形如图1和图2所示。
EFT由间隔为300ms的连续脉冲序列组成，每个脉冲序列持续15ms，具有脉冲波形。单脉冲上升沿5ns，持续时间50ns，重复频率5kHz和100kHz。为了保证5kHz和100kHz之间的能量等效，当使用100kHz的重复频率代替5kHz时，EFT的持续时间从15ms减少到0.75ms。传统上，使用5kHz的重复频率，然而，100kHz更接近实际情况。一般要求功率100kHz。
c)干扰实验水平
被测设备的被测部分主要包括设备的电源端口、保护接地、信号和控制端口。
图4脉冲组测试等级
需要注意的是，在信号和控制信号的测试电平相同的情况下，信号发生器的输出电压不低于电源测试的输出电压。信号发生器输出的实际信号幅度是一致的，由负载阻抗决定。信号线的阻抗一般为50欧姆，信号发生器中有50个串联电阻。因此，信号测量电压应为0.5xVp(开路)。这个电压可以是正负10%。
3、耦合装置
IEC 61000-4-4提供两种耦合器件：耦合/去耦网络和电容耦合夹。一般来说，耦合/去耦网络主要用于电源端口测试，电容耦合箝位主要用于I/O端口和通信端口测试。
4、耦合/去耦网络
耦合/去耦网络的功能是将干扰信号耦合到被测设备，并防止干扰信号连接到同一电网中不相关的设备。
通过33nF的电容对L1、 L2、 L3、n和PE信号施加耦合脉冲干扰。信号电缆的屏蔽层连接到耦合/去耦合网络的外壳，并且外壳连接到参考接地端子。这说明突发干扰实际上是加在电源线和参考地之间的，即加在电源线上的干扰是共模干扰。
5、电容耦合夹
对于使用耦合夹的测试，耦合夹可以将快速瞬态脉冲组耦合到被测线路，而不需要被测设备的每个端口的端子、电缆屏蔽层或被测设备的其他部分之间的任何电连接。电容耦合夹的结构如图所示。如图。测试时，被测线路的电缆放置在耦合夹的上下耦合板之间，耦合夹本身应尽可能闭合，以提供电缆与耦合夹之间的最大耦合电容。耦合夹和电缆之间的典型电容为50-200pf。
二、电气快速瞬变试验失败原因分析。
1、干扰应用模式分析
当EFT干扰通过耦合/去耦网络施加到电源线时，信号发生器输出的一端通过33nF的电容注入到待测电源线，另一端通过耦合单元的接地端接地；当EFT干扰通过容性耦合夹作用于信号/控制线时，信号发生器的输出通过耦合板与被测电缆之间的分布电容进入被测电缆，被测电缆接收到的脉冲是相对于接地板的。两种干扰注入方法都是对地共模注入方法。所以所有的差模抑制方法对这种干扰都是无能为力的。
2、从干扰传输模式分析
脉冲群单脉冲波形的前沿tr达到5ns，脉宽达到50ns，这就决定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。大幅度的谐波频率至少可以达到1/tr，即可以达到64MHz左右，对应的波长为5 m。
对于频率在60MHz以上的电源线，如果其长度为1M，则不能再认为是普通的传输线，因为导线的长度与信号的波长相当。在线路上传输的过程中，有些信号仍然可以通过传输线进入被测设备(传导发射)，有些会从线路中逃逸出来，作为辐射信号进入被测设备(辐射发射)。所以被测设备的干扰实际上是传导和辐射的结合。显然，传导与辐射之比与电源线的长度有关。线越短，传导成分越多，辐射比越小。反之，辐射比大。简单地对EFT干扰应用端口使用传导干扰抑制(例如添加滤波器)并不能完全克服这种干扰的影响。
3、 EFT干扰导致设备故障的机理分析
单个脉冲的能量很小，不会造成设备故障。但由于EFT是一个持续一段时间的单极脉冲串，它对设备线路的结电容进行充电，经过积累，最终达到并超过IC芯片的抗扰度水平，会造成数字系统的错位、系统复位、内存错误、死机。所以线路误差会有一个时间过程，会有一些偶然性和随机性。此外，很难判断脉冲是单独施加还是一起施加，设备更有可能失效。也很难断定哪个器件对正脉冲或负脉冲更敏感。测试结果与设备的电缆布置、设备的运行状态、脉冲参数以及脉冲应用的组合有很大的相关性。但不能简单地认为被测设备在EFT抗扰度测试中有一个阈值水平，干扰低于该水平时设备正常工作。如果干扰高于这个水平，设备就会失效。正是这种偶然性和随机性，使得EFT对策的方式和位置选择更加困难。同时，为了抵抗瞬态干扰，大多数电路在输入端安装一个积分电路。这种电路对单个脉冲有很好的抑制效果，但不能有效抑制一系列脉冲。IEC61000-4-4新标准在单个脉冲群注入被测设备的脉冲总数不变(仍为75)的情况下，将脉冲重复频率从5kHz提高到100kHz，单位时间内的脉冲密度大大增加。单位时间内的脉冲越多，速度越快
与其他瞬态脉冲一样，在EFT抗扰度测试中，施加到被测电缆上的EFT脉冲的幅度从几百伏到几千伏不等。对付这种高压高能脉冲，依靠屏蔽、滤波、接地等普通的电磁干扰抑制措施是远远不够的。对于这种脉冲，在采取其他电磁干扰抑制措施之前，应采用专门的脉冲吸收电路，将脉冲干扰的能量和幅度降低到较低水平，使被测设备能有效抵抗这种干扰。
5、来自EFT的干扰传输路径分析
如图3所示，EFT干扰主要通过以下方式干扰被测设备的正常工作，包括：
A)EFT干扰通过耦合单元进入设备的电源线和控制信号线，在这些电缆上产生高达几千伏的共模脉冲噪声，并沿着这些电缆进入被测设备。通过接口滤波器时干扰有所衰减，但仍有较高的干扰电压进入设备内部电源和PCB电路，影响PCB的正常工作。
b)同时，注入电源线或信号控制线的EFT干扰在传导过程中会辐射到空间中，这些辐射的能量量要在相邻的电缆上感应到，通过这些电缆进入设备，对电路造成干扰。当EUT的所有连接电缆没有采取EFT保护措施时，这种现象更容易发生。
c)注入电源线或信号控制线的EFT干扰进入设备，通过空间辐射直接被PCB电路接收，从而对电路造成干扰。当PCB接口上有良好的滤波措施，但传输电缆靠近电路时，容易出现这种现象。
三、电子产品通过电快速瞬变脉冲试验的对策
1、抑制EFT干扰的一般对策
从上一节的分析中，我们可以看到EFT干扰具有以下特点：
A)EFT干扰以共模方式侵入敏感设备；
B)EFT干扰在传输过程中通过辐射和传导影响被测设备的电路；
C)EFT干扰由一组组密集的单极脉冲组成，对敏感设备电路节点的影响是连续的、累积的；
d)d)EFT干扰入侵敏感设备的频率覆盖中高频段，电源端口的频谱成分比信号端口的低频成分丰富；
E)EFT干扰是典型的高电压快速脉冲干扰；F)EFT干扰主要通过三种途径影响敏感设备电路：通过干扰线路直接进入敏感设备电路；通过干扰线辐射到相邻干扰线，再从相邻干扰线进入敏感设备电路；辐射通过干扰线直接进入敏感设备电路。
针对这些特点，我们的对策包括：
a)共模抑制应优先于直接传导干扰；
b)为了抑制传导和辐射两方面的干扰，除了对端口线进行滤波，我们还需要对敏感电路进行屏蔽；
c)为了有效抑制这种密集的单极脉冲，单纯使用反射电容和电感滤波器会很快饱和。考虑到电源和信号传输用的RC吸收滤波器可能不适用，比较好的办法是利用高频铁氧体抗高频干扰，可以直接吸收高频干扰并转化为热能的特性来吸收这种干扰；
d)选择传输线滤波电路覆盖入侵EFT干扰的频谱范围；
e)对于EFT共模高压快速脉冲干扰，如果先用对地脉冲吸收器吸收干扰通道中的大部分脉冲电压和能量，再用吸收共模滤波器，可以事半功倍；
f)为了更好地防止EFT干扰侵入三路敏感设备，应对干扰直达传输通道采取脉冲吸收、滤波、空间辐射屏蔽等措施。为了防止EFT干扰通过空间辐射到被非EFT干扰直接侵入的端口线路
图8显示了EFT干扰传输环路。EFT是共模干扰，必须通过接地回路完成整个干扰回路。EFT干扰源通过传导或空间辐射以共模方式进入敏感设备的电源线或控制信号线，通过这些电缆以传导或辐射方式进入敏感设备内部的PCB电路。如果EUT是金属外壳，PCB上的EFT干扰通过PCB与金属外壳之间的杂散电容C1或直接通过接地端子传导到金属外壳，再通过金属外壳与大地之间的杂散电容C2传导到大地，从大地返回到EFT干扰源。如果EUT是一个非金属外壳，PCB上的EFT干扰通过PCB与大地之间的小杂散电容C3传导到大地，再从大地返回EFT干扰源。完成整个干扰循环。
3、电源线测试措施
解决电力线EFT干扰问题的主要方法是在被测设备的电力线入口处安装瞬态脉冲吸收器和吸收共模电力线滤波器，防止EFT干扰进入被测设备。下面的讨论根据被测样品外壳的不同性质分为两种情况。
4、被测设备的底盘是金属的。
当被测设备的机箱由金属制成时，如图8所示，在金属机箱和地之间有一个大的杂散电容C2，它可以为EFT的共模电流提供一个相对固定的路径。如果被测样品有通过电源插座接地的保护接地线，电源线中的保护接地线也应作为被测线路之一，因为正常工作时设备与大地之间的接地线有较大的电感，通过网络耦合EFT干扰，并通过去耦网络将其与电源插座的保护接地端隔离，对EFT的高频干扰成分有很大的阻抗。因此，改善供电线路中保护接地的方法对提高被测样品供电端子的EFT抗扰度没有明显作用。处理方法是在金属外壳的电源入口处增加一个由共模扼流圈和共模电容组成的电源滤波器。滤波器的金属外壳直接与金属外壳连为一体，滤波器的输入输出电源线通过外壳隔离。共模滤波电容会将EFT干扰引入机箱，然后通过其杂散电容C2进入地面，再通过地面返回干扰源。由于电力线滤波器中的共模滤波电容受漏电流限制，其容量较小，EFT干扰中的低频成分主要被共模扼流圈抑制。所以共模扼流圈的选择很关键，这里要选择铁氧体吸收共模扼流圈。选择滤波器时，应注意滤波器的干扰抑制带宽应覆盖EFT干扰带宽。
由于EFT干扰属于高压瞬态脉冲干扰，当EFT的测试电平较高时，其高压脉冲产生的大电流容易使共模扼流圈饱和，其密集的单极性脉冲也容易使共模电容饱和。此时输入电源要通过接地(实际上是一个金属外壳)脉冲吸收器吸收大部分脉冲电压和能量，然后共模扼流圈和共模电容组成的滤波器才能更好地抑制EFT干扰。当被测设备的电源端口仍需通过浪涌测试时，脉冲吸收器可选用氧化锌压敏电阻(220V交流电源产品为470V系列)，它对瞬态脉冲的响应时间为纳秒级。当被测器件的电源端口只需要抑制EFT脉冲时，硅瞬态电压吸收二极管(TVS)是最佳选择(220V交流电源供电的产品可选择350V系列)，其对瞬态脉冲的响应时间小于1纳秒。脉冲吸收器是一个双端器件，其一端连接到每个输入电源线，另一端在金属外壳的电源输入处连接到外壳，这样脉冲吸收器吸收的能量通过其杂散电容C2导入大地，并通过大地返回干扰源。
这样，EFT干扰直接耦合到
当被测设备的机箱为非金属材料时，如图8所示，耦合入设备的EFT干扰只能通过内部电路与地之间的小杂散电容C3耦合入地，被测样品电路会对地产生较大的EFT干扰电压，从而影响其正常工作。这时候必须在机箱底部加一块金属板，有效增加设备对地的杂散电容。如图9所示，在设备中，脉冲吸收器、电源滤波器、电源模块和PCB板都安装在金属平板上，电源模块和电源滤波器的金属外壳与金属平板紧密连接，金属平板作为被测设备的公共参考面。此时金属板相当于金属外壳，EFT干扰电流通过金属板与大地之间的杂散电容形成通路，返回干扰源。
如果设备尺寸小，金属板的尺寸也小。此时金属板与大地之间的杂散电容较小，不能起到很好的干扰旁路作用。在这种情况下，脉冲吸收器和滤波器中的共模电容的作用有限，这主要取决于滤波器中的共模扼流圈。这时就需要采取各种措施来改善电感的滤波特性。必要时可以串联多个电感，以拓宽共模扼流圈的抑制频率范围，保证滤波效果。
还需要注意的是，滤波器前的电源线上的EFT干扰由于没有金属外壳屏蔽，会通过空间辐射进入被测设备内部电路，从而形成干扰。此时，脉冲吸收器和电源滤波器应放置在设备外壳附近，电源线进入设备外壳后应立即与脉冲吸收器和电源滤波器连接。防止机箱内有EFT干扰的冗余电源线通过与内部电路的空间耦合传递EFT干扰。
6、信号线测试要采取的措施
当测试信号和控制线的EFT抗扰度时，EFT脉冲通过容性耦合箝位共模注入。与电源端的耦合网络注入法相比，注入的EFT脉冲的频谱范围更窄。注入能量也低。对整条电缆进行信号和控制线注入，电缆中的每条传输线不单独或局部注入。下面分别介绍几种不同情况下信号控制线注入的对策。
7、被测设备的底盘是金属的。
因为EFT抗扰度测试的干扰脉冲是通过电容耦合夹注入信号控制电缆的。消除这种干扰耦合的最好方法是屏蔽被测电缆。如果待测样品的外壳为金属外壳并接地，待测电缆在穿过金属外壳时将屏蔽层与金属外壳连接成360度回路，通过容性耦合夹进入待测电缆屏蔽层的EFT干扰通过这种连接引入金属外壳。此时，EFT干扰的中高频分量通过壳体与大地之间的杂散电容耦合到大地，EFT干扰的低频分量通过壳体的接地线引入大地，从大地返回干扰源。对于没有保护接地线的被测设备，EFT干扰的低频分量可能会干扰被测设备的电路。这时，补充接地线可以有效克服这种干扰。
测试信号控制端口时，被测设备的电源端口直接与电源相连，与金属外壳相连的保护接地线直接与插座的保护接地线相连，而不是像电源端口测试那样通过耦合/去耦网络，可以有效吸收EFT干扰的低频成分。它的作用非常明显。
如果EFT干扰电流在屏蔽层中流动，一些高频干扰会耦合到屏蔽电缆的内部信号线。此时，穿过金属外壳的信号控制线应在外壳接口处安装由适当的共模扼流圈(可由所有信号线同向绕高频磁环3 ~ 10圈组成)和共模电容组成的信号线滤波器至外壳。如果共模电容影响信号传输，我们可以通过降低或取消共模电容，提高共模扼流圈的吸收能力来达到目的。共模扼流圈实际上是一个低通滤波器。只有电感足够大，才能对EFT干扰的低频成分产生影响。但当扼流圈电感较大(往往匝数较多)时，杂散电容也较大，扼流圈的高频抑制作用降低。因此，在实际使用中，需要调整扼流圈的匝数，必要时串联两个不同匝数的扼流圈，以满足高频和低频的要求。
如果不能或不方便用屏蔽电缆代替待测信号控制电缆，EFT干扰将直接进入电缆内部的每一条传输线。此时可以采用类似的电源线处理方法，在信号控制电缆进入金属外壳的入口处安装瞬态脉冲吸收器和信号线共模滤波器。瞬态脉冲吸收器的选择原则与电源线相同，其耐压应与端口的工作电压相适应。信号线共模滤波器抑制的频率范围应涵盖注入电缆的EFT干扰的频率范围。如果此时瞬态脉冲吸收器的结电容和共模滤波器的共模电容影响信号传输，可以选择结电容较小的瞬态脉冲吸收器，在提高共模扼流圈吸收能力的同时，降低或消除共模电容，达到目的。如果结电容小的瞬态脉冲吸收器仍然影响电缆中的高速信号传输，只能去掉瞬态脉冲吸收器，用屏蔽电缆代替普通电缆。
8、被测设备的底盘是非金属的。
当被测设备的底盘为非金属材料时，可以在底盘底部加一块金属板，如图9所示，如图8所示，这样可以有效增加设备对地的杂散电容，将被测设备的保护接地线与金属板连接起来。
此时，如果屏蔽信号控制电缆，EFT干扰也能得到很好的抑制。屏蔽电缆进入设备后，屏蔽层与金属板直接固定连接，穿过金属屏蔽层的信号线以最短的距离与滤波器连接，滤波器直接安装在金属板上。
如果被测信号控制电缆不能或不方便用屏蔽电缆代替，则在信号控制电缆进入设备外壳的入口处安装瞬态脉冲吸收器和信号线共模滤波器。同时，如果瞬态脉冲吸收器的结电容和共模滤波器中的共模电容影响信号传输。
还需要注意的是，滤波器前的信号控制线上的EFT干扰的空间辐射，由于没有金属外壳屏蔽，会进入被测设备内部电路，对电路产生干扰。因此滤波器和脉冲吸收器应尽可能靠近界面。
当空间距离法无法防止信号控制电缆上的空间辐射干扰时，干扰将直接耦合到电路中。此时，只能部分屏蔽敏感电路。盾牌应该是一个完整的六面体。
9、其他端口的保护措施
在EFT抗扰度测试中，并不是所有的外部信号控制端口都需要进行EFT抗扰度测试，这些端口的连接电缆一般都比较短。标准认为在实际使用过程中不容易直接耦合大的EFT干扰，所以不要求测试这些端口的EFT抗扰度。如果按照上述设计要求，对需要进行EFT测试的电源、信号和控制端口采取相应的抑制措施，在EFT测试过程中，被测电源线路和信号控制线路上的EFT干扰会辐射到空间，被机箱外的其他端口电缆接收，也会耦合到被测设备中形成干扰。因此，应对这些端口采取必要的抑制措施。由于引入这些端口的EFT干扰是频率相对较高、幅度相对较小的共模干扰，因此只需在这些端口线路进入被测设备的入口处采用信号线共模抑制滤波器，就可以达到很好的抑制效果。需要注意的是，共模抑制滤波器的抑制频率范围适合端口感应的EFT干扰的频谱，滤波器外壳应与金属外壳或金属板良好连接。如果端口传输的信号比较敏感，建议使用屏蔽绞线，屏蔽层与金属外壳或金属板连接良好。
【文章整理】电磁兼容之家
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