電快速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖群（EFT）抗擾度是一種(zhong)通(tong)用(yong)性強、測(ce)試(shi)方(fang)便、能(neng)高效暴露風險的(de)EMS測(ce)試(shi)項目——通(tong)過模擬電網拉弧(hu)產(chan)(chan)生的(de)一系列快速(su)高壓(ya)尖峰脈(mo)沖來評(ping)估產(chan)(chan)品(pin)對瞬(shun)態(tai)高壓(ya)耐受能(neng)力同(tong)時暴露產(chan)(chan)品(pin)對瞬(shun)態(tai)射頻電場(chang)的(de)耐受風險。
本文(wen)對(dui)電(dian)快速瞬變脈沖群脈沖的能量和頻(pin)譜進行(xing)了分(fen)析(xi)和實測，對(dui)電(dian)快速瞬變脈沖群耦(ou)合產生的電(dian)場進行(xing)了評估，對(dui)工(gong)程中較(jiao)為實用(yong)的近(jin)場探頭電(dian)場注入、直(zhi)接(jie)注入進行(xing)了介紹，并推薦利用(yong)波形發生器(qi)模擬(ni)電(dian)快速瞬變脈沖群脈沖直(zhi)接(jie)注入的診斷分(fen)析(xi)方法(fa)和電(dian)快速瞬變脈沖群防護器(qi)件(jian)的實測方法(fa)供大家在(zai)EMC開發中參考(kao)。
電快速瞬變脈沖(chong)群(qun)的評(ping)估與測(ce)量(liang)頻譜分析
電(dian)快(kuai)(kuai)速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖群干擾的嚴(yan)酷程(cheng)度可(ke)以(yi)從頻(pin)譜幅值、頻(pin)譜寬度、頻(pin)譜密度、功率譜等維度來(lai)進(jin)行(xing)評估(gu)，所(suo)以(yi)進(jin)行(xing)電(dian)快(kuai)(kuai)速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖群問(wen)題診斷分(fen)(fen)析首先需(xu)要了解(jie)電(dian)快(kuai)(kuai)速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖群脈(mo)沖的能量等級和頻(pin)譜分(fen)(fen)布。
電(dian)快(kuai)速瞬變脈沖群的(de)能量等(deng)級和(he)嚴酷(ku)程度分析：
電快速瞬變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)脈(mo)沖(chong)(chong)的參(can)數由基礎標準IEC61000-4-4定義，EMC測(ce)試機(ji)構的電快速瞬變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)發(fa)生器校準結(jie)果要符(fu)合標準要求(qiu)從而保證測(ce)試結(jie)果重復性和可靠性。
電快速瞬變脈沖群測試標(biao)準發生器和輸(shu)出波形
電快速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖群實際校準波(bo)形(xing)（一）
電(dian)快(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)沖群實(shi)際校準波(bo)形（二(er)）
電(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群標準中的(de)發生器(qi)原理構造和標準波形(xing)可(ke)以(yi)看出電(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群屬于典型(xing)的(de)高電(dian)(dian)壓（0-4kV），短(duan)時瞬(shun)(shun)發(5/50nS)，內阻較大(50Ω)且(qie)僅采用共模注入的(de)抗擾度(du)測試。電(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群測試每秒輸出250個(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)，單個(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)能(neng)量集中在50納(na)秒以(yi)內，脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)能(neng)量可(ke)以(yi)精確(que)計(ji)算(suan)也或利(li)用示(shi)波器(qi)進行測量，也可(ke)以(yi)簡化為三角形(xing)計(ji)算(suan)：以(yi)2kV為例，單脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)峰值功率
單脈沖能量為：
脈沖群平均能量為：
因此(ci)電(dian)快(kuai)(kuai)(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)群(qun)是(shi)一(yi)種(zhong)瞬態峰值功率很大但(dan)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)能(neng)量和總能(neng)量較小的干(gan)擾，破壞性不(bu)強，但(dan)是(shi)并不(bu)意味著電(dian)快(kuai)(kuai)(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)群(qun)干(gan)擾能(neng)力弱，電(dian)快(kuai)(kuai)(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)群(qun)的瞬態的干(gan)擾能(neng)量，以高頻(pin)電(dian)場的形式發(fa)射到電(dian)磁環境的，需(xu)要從電(dian)快(kuai)(kuai)(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)群(qun)頻(pin)譜分布，來評估電(dian)快(kuai)(kuai)(kuai)速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)群(qun)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)(chong)真實干(gan)擾能(neng)力。
電(dian)快速(su)瞬變(bian)脈沖群頻譜的寬度分析(xi)
注(zhu)入(ru)(ru)信(xin)號頻(pin)譜(pu)(pu)的(de)(de)寬(kuan)度(du)(du)(du)是抗(kang)(kang)擾度(du)(du)(du)測試(shi)(shi)(shi)中(zhong)非常重要的(de)(de)參數，EMS抗(kang)(kang)擾度(du)(du)(du)測試(shi)(shi)(shi)使用不同的(de)(de)注(zhu)入(ru)(ru)測試(shi)(shi)(shi)方法(fa)來注(zhu)入(ru)(ru)不同的(de)(de)干(gan)擾頻(pin)譜(pu)(pu)，如傳導抗(kang)(kang)擾度(du)(du)(du)測試(shi)(shi)(shi)150kHz-80MHz的(de)(de)連續波適合(he)(he)使用耦(ou)合(he)(he)去耦(ou)網絡直接對(dui)線(xian)纜注(zhu)入(ru)(ru)，對(dui)于輻(fu)射抗(kang)(kang)擾度(du)(du)(du)測試(shi)(shi)(shi)對(dui)于80MHz以(yi)上的(de)(de)信(xin)號則采用天線(xian)電場注(zhu)入(ru)(ru)。EMS信(xin)號頻(pin)率越高空間(jian)耦(ou)合(he)(he)能力越強對(dui)受測設備(bei)的(de)(de)內部影(ying)響也越大。我們以(yi)80MHz為參考分界判斷干(gan)擾的(de)(de)的(de)(de)主(zhu)要傳輸路(lu)徑，80MHz以(yi)下線(xian)纜傳輸穩(wen)定，而80MHz以(yi)上空間(jian)的(de)(de)發射更(geng)復雜，因此評估(gu)電快速瞬變脈沖(chong)(chong)群對(dui)受測設備(bei)的(de)(de)干(gan)擾耦(ou)合(he)(he)方式(shi)和強度(du)(du)(du)要對(dui)電快速瞬變脈沖(chong)(chong)群干(gan)擾頻(pin)譜(pu)(pu)的(de)(de)幅(fu)度(du)(du)(du)和寬(kuan)度(du)(du)(du)進行分析，我們可(ke)以(yi)利(li)用脈沖(chong)(chong)波形的(de)(de)傅里葉變換近(jin)似計(ji)算來評估(gu)。
周期信號波形與(yu)頻(pin)譜(pu)的(de)關(guan)系
周(zhou)期信號波(bo)形與(yu)頻(pin)(pin)譜(pu)(pu)的關(guan)系我們可以推導出電快速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)重復率5k或(huo)者100kHz對低次頻(pin)(pin)譜(pu)(pu)有影響，但頻(pin)(pin)譜(pu)(pu)的寬(kuan)(kuan)度(du)主要由脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)寬(kuan)(kuan)度(du)和上升下降時(shi)間決定，因此脈(mo)(mo)寬(kuan)(kuan)TH =50nS決定電快速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)的頻(pin)(pin)譜(pu)(pu)第一轉折點(dian)(dian)，上升下降時(shi)間tr =5nS決定第二(er)轉折點(dian)(dian)64MHz，計算(suan)500V電快速瞬變(bian)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)群脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)在第一轉折點(dian)(dian)6.4MHz之(zhi)前的低次諧波(bo)幅值(zhi)為：
（按三角波近似計(ji)算），因此64MHz為108dBµV（10倍(bei)頻降(jiang)(jiang)低20dB）, 640MHz有 68dBµV（10倍(bei)頻降(jiang)(jiang)低40dB）。理論推導(dao)出電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈沖(chong)群脈沖(chong)的頻譜非常寬，但我(wo)們還需要通過實測(ce)來驗證(zheng)。
電快速瞬變(bian)脈沖群頻譜的實測
對于電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)群頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)實(shi)測，示(shi)波器(qi)量(liang)能(neng)夠測量(liang)電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)群脈沖(chong)(chong)波形但(dan)不(bu)能(neng)輸出頻(pin)(pin)譜(pu)，頻(pin)(pin)譜(pu)儀能(neng)夠輸出頻(pin)(pin)譜(pu)但(dan)不(bu)能(neng)耐受瞬(shun)態高壓，因此我(wo)們(men)需要利用高壓同軸衰(shuai)減器(qi)將電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)群信(xin)號衰(shuai)減到一定程度才能(neng)送入(ru)頻(pin)(pin)譜(pu)儀進行電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)群頻(pin)(pin)譜(pu)實(shi)測，以(yi)下是電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)群頻(pin)(pin)譜(pu)測試(shi)布置(zhi)和衰(shuai)減器(qi)校(xiao)準布置(zhi)。
電快速瞬變脈沖(chong)群頻譜的測量
電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈沖群使用的(de)衰減器校準
我們利用20dB 50W衰減(jian)(jian)(jian)(jian)器(qi)進行第一級衰減(jian)(jian)(jian)(jian)，利用20dB 5W衰減(jian)(jian)(jian)(jian)器(qi)進行第二級衰減(jian)(jian)(jian)(jian)， 500V EFT信號(hao)經過40dB衰減(jian)(jian)(jian)(jian)（100倍(bei)）和50Ω內(nei)阻分(fen)(fen)壓之后(hou)峰值電壓為(wei)2.5V，可(ke)以用示波(bo)器(qi)和頻(pin)(pin)譜分(fen)(fen)析儀直接測量電快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈沖群(qun)的時域(yu)波(bo)形(xing)和頻(pin)(pin)譜波(bo)形(xing)。圖中(zhong)兩個衰減(jian)(jian)(jian)(jian)器(qi)組合(he)的校準系(xi)數(shu)為(wei)-40dB，因(yin)此我們需要對頻(pin)(pin)譜分(fen)(fen)析儀得到(dao)的頻(pin)(pin)譜進行40dB補償。
500V EFT衰減40dB后的測量頻譜
頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)經過40dB的(de)衰減，我們(men)進行補償之后可(ke)(ke)以(yi)得到500V電(dian)(dian)快速(su)(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)脈(mo)(mo)沖群(qun)脈(mo)(mo)沖100kHz的(de)頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)低次(ci)諧(xie)波幅(fu)值(zhi)(zhi)為128dBµV，第(di)一轉折點6.4M幅(fu)值(zhi)(zhi)118dBµV，第(di)二轉折點64MHz幅(fu)值(zhi)(zhi)低20dB，為98dBµV,考(kao)慮(lv)50Ω的(de)分(fen)壓6dB，實(shi)測(ce)結(jie)果幅(fu)值(zhi)(zhi)與我們(men)的(de)理論分(fen)析值(zhi)(zhi)接近。更(geng)高(gao)的(de)電(dian)(dian)快速(su)(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)脈(mo)(mo)沖群(qun)電(dian)(dian)壓會使得頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)幅(fu)值(zhi)(zhi)相(xiang)應上升(sheng)，會使得64-640MHz輻(fu)射頻(pin)(pin)(pin)段(duan)的(de)幅(fu)值(zhi)(zhi)相(xiang)應上升(sheng)。因此，實(shi)測(ce)結(jie)果與理論分(fen)析都表明電(dian)(dian)快速(su)(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)脈(mo)(mo)沖群(qun)脈(mo)(mo)沖高(gao)頻(pin)(pin)(pin)成分(fen)豐(feng)富(fu)，而高(gao)頻(pin)(pin)(pin)能(neng)量并(bing)不依賴沿線纜(lan)(lan)傳播還可(ke)(ke)以(yi)通過空間直接發射，在電(dian)(dian)快速(su)(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)脈(mo)(mo)沖群(qun)測(ce)試并(bing)不僅僅是線纜(lan)(lan)的(de)共模注入還必(bi)定伴(ban)有高(gao)頻(pin)(pin)(pin)電(dian)(dian)場干擾。
利用(yong)天(tian)線對EFT的電場(chang)頻(pin)譜和強度進行測量：
對電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)干(gan)擾(rao)電(dian)場進(jin)(jin)行(xing)實測有利于我們更直(zhi)觀評(ping)估電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)的(de)干(gan)擾(rao)能力。電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)注入(ru)可以采用CDN對50cm長的(de)電(dian)源線纜(lan)進(jin)(jin)行(xing)直(zhi)接(jie)注入(ru)，也可以用容性(xing)耦合夾(jia)(jia)對信(xin)號線纜(lan)進(jin)(jin)行(xing)耦合注入(ru)，兩種方式電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)脈(mo)沖(chong)(chong)都(dou)能產生相應的(de)高頻電(dian)場。這里我們采用容性(xing)耦合夾(jia)(jia)耦合來對電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)的(de)耦合能力和產生的(de)電(dian)場進(jin)(jin)行(xing)評(ping)估。
電(dian)快(kuai)速(su)瞬變脈沖群耦(ou)合電(dian)場的測量布置(zhi)
電(dian)快速瞬(shun)變脈沖群耦合電(dian)場的測實測數據(ju)
電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)脈(mo)沖發(fa)生(sheng)器通過容性耦(ou)合(he)(he)夾(jia)對長度(du)3米放置在0.8米木桌上兩(liang)端下垂的(de)金屬線(xian)纜(lan)進行耦(ou)合(he)(he)，線(xian)纜(lan)輻射出的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)被(bei)距(ju)離3米的(de)雙錐天(tian)線(xian)接收并由(you)EMI接收機測量(liang)。右圖是實(shi)測500V電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)信號通過標準100p容性耦(ou)合(he)(he)夾(jia)耦(ou)合(he)(he)能(neng)在3米距(ju)離30-500MHz頻(pin)段產生(sheng)最(zui)大80dBuV/m的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)，可以看出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)的(de)耦(ou)合(he)(he)能(neng)力、干(gan)(gan)擾(rao)(rao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)強(qiang)度(du)很(hen)強(qiang)同時(shi)頻(pin)譜范圍很(hen)寬(kuan)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)實(shi)際測試中注(zhu)入等級更(geng)高EUT距(ju)離更(geng)近(jin)因此電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)干(gan)(gan)擾(rao)(rao)更(geng)強(qiang)，因此很(hen)多電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)問題(ti)中不但要考(kao)慮沿線(xian)纜(lan)的(de)注(zhu)入還需(xu)要考(kao)慮由(you)于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)纜(lan)發(fa)射而產生(sheng)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)干(gan)(gan)擾(rao)(rao)，尤其沒有金屬屏蔽的(de)產品需(xu)要特別注(zhu)意電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)快(kuai)速瞬(shun)(shun)變脈(mo)沖群(qun)(qun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)對內部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)直(zhi)接干(gan)(gan)擾(rao)(rao)。
本文作者為宋志強老師(shi)，宋志強老師(shi)長(chang)期從(cong)(cong)事醫療(liao)產(chan)品(pin)、新能源產(chan)品(pin)的(de)EMC設(she)(she)計(ji)與(yu)調試，積(ji)累了豐(feng)厚的(de)經驗(yan)。長(chang)期從(cong)(cong)事理論與(yu)實戰(zhan)研究，尤其擅長(chang)EMC調試工具的(de)研發與(yu)設(she)(she)計(ji)，大家有醫療(liao)產(chan)品(pin)、新能源產(chan)品(pin)的(de)EMC問題可(ke)以(yi)找(zhao)宋老師(shi)來深入(ru)交流。