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電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)是電氣和電子設(shè)備眾多抗擾度試驗(yàn)中使用次數(shù)zui多，同時(shí)也是比較難于通過的一個(gè)試驗(yàn)，所以這項(xiàng)試驗(yàn)也是試驗(yàn)人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員議論zui多的一項(xiàng)試驗(yàn)。議論的議題之一是試驗(yàn)的重復(fù)性和可比性較差，往往是企業(yè)自己做的試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)站相距甚遠(yuǎn)，對(duì)此作者曾專門著文討論這個(gè)問題，企業(yè)試驗(yàn)人員對(duì)此反映較好，認(rèn)為對(duì)提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性起到了積極作用。

作者近日通過對(duì)IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)草案（FDIS文件）的閱讀，對(duì)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)有了更新的認(rèn)識(shí)，覺得標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)脈沖群波形的要求、對(duì)校驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器的方法、對(duì)試驗(yàn)方法的細(xì)節(jié)都有了新的規(guī)定，作者認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)草案的這些規(guī)定對(duì)規(guī)范試驗(yàn)，提高試驗(yàn)的可比性和重復(fù)性很有好處。今將標(biāo)準(zhǔn)草案閱讀中發(fā)現(xiàn)的不同部分整理出來，并加上作者對(duì)它的一些評(píng)述，希望對(duì)企業(yè)人員理解標(biāo)準(zhǔn)和正確掌握試驗(yàn)方法能有所幫助。

打開IEC61000-4-4的1995年版標(biāo)準(zhǔn)，從及新的標(biāo)準(zhǔn)草案，首先看到的一個(gè)不同點(diǎn)便是試驗(yàn)等級(jí)，詳見本文表1和表2所示：

表1. 1995年版標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)等級(jí)

 

表2. 新標(biāo)準(zhǔn)草案的試驗(yàn)等級(jí)

 

從這兩張表格的對(duì)比可以看出，新標(biāo)準(zhǔn)草案的嚴(yán)酷度要高于原先的標(biāo)準(zhǔn)，主要是試驗(yàn)頻率有了變化，將原先的2.5kHz取消了，一律取5kHz和100kHz兩種。因此，標(biāo)準(zhǔn)草案所規(guī)定的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖密集程度有了增加，這對(duì)設(shè)備試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度是一種增加。

在脈沖群發(fā)生器中，原標(biāo)準(zhǔn)與新的標(biāo)準(zhǔn)草案在發(fā)生器組成的主要元件上有一個(gè)明顯區(qū)別：原標(biāo)準(zhǔn)講的是火花氣隙（spark gap）；新的標(biāo)準(zhǔn)草案講的是高電壓開關(guān)（high voltage switch）。事實(shí)上，當(dāng)代的脈沖群發(fā)生器里的脈沖形成器件，無一例外，都是采用高壓電子開關(guān)。這一改變，對(duì)提高脈沖群發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，從及提高試驗(yàn)脈沖的頻率起到了關(guān)鍵的作用。

在IEC61000-4-4：1995標(biāo)準(zhǔn)的附錄A中，曾經(jīng)有一段文字提到了采用火花氣隙充當(dāng)脈沖形成器件的弊病：

“由于火花氣隙在低于1kV時(shí)的機(jī)械和電氣上的不穩(wěn)定，所以對(duì)低于2kV的試驗(yàn)電壓要通過分壓器來得到”。

“脈沖群沖單個(gè)脈沖的重復(fù)頻率的實(shí)際值為10kHz到1MHz，然而廣泛調(diào)查的結(jié)果表明，采用固定調(diào)節(jié)火花氣隙的發(fā)生器難以再現(xiàn)這種相對(duì)較高的重復(fù)頻率，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了頻率較低的、有代表性的脈沖”。

所以在脈沖群試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，把脈沖頻率定為2.5kHz和5kHz實(shí)在是有一點(diǎn)不得以而為之的味道。隨著脈沖形成器件的更新，特別是高速高壓電子開關(guān)的選用，把脈沖頻率提高到5kHz和100kHz是理所當(dāng)然的事情，使得脈沖群抗擾度試驗(yàn)更加切合實(shí)際的干擾情況。

與原標(biāo)準(zhǔn)相比，在標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)發(fā)生器特性參數(shù)規(guī)定的zui大不同表現(xiàn)為兩點(diǎn)：其一，標(biāo)準(zhǔn)草案給出了兩種不同負(fù)載條件下的輸出電壓范圍，1000Ω負(fù)載的輸出電壓為0.24kV～3.8kV；50Ω負(fù)載的輸出電壓為0.125V～2kV。其二，標(biāo)準(zhǔn)草案將在50Ω負(fù)載上的每個(gè)2kV脈沖提供的能量為4mJ取消了，代之以脈沖發(fā)生器性能的可比性由下列要求（見本文表3）來加以保證：

表3. 新標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)脈沖群發(fā)生器特性參數(shù)的要求

 

在表3中還可以看到一點(diǎn)：脈沖的重復(fù)頻率提高并不會(huì)造成對(duì)受試設(shè)備注入能量的增加，這是因?yàn)橹貜?fù)頻率自5kHz提高到100kHz（頻率提高了20倍），但脈沖群的持續(xù)時(shí)間卻從15ms縮減到0.75ms（持續(xù)時(shí)間縮減到原來的二十分之一），因此注入受試設(shè)備的脈沖總量沒變（仍為75個(gè)），注入受試設(shè)備的*量也就沒變，只是單位時(shí)間內(nèi)的脈沖密集程度有了增加。考慮到國(guó)外專家對(duì)脈沖群試驗(yàn)的故障機(jī)理解釋為是干擾脈沖對(duì)線路結(jié)電容的充電，脈沖頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多，對(duì)結(jié)電容的電荷積累也越快，越容易達(dá)到線路出錯(cuò)的閾限。因此，新的標(biāo)準(zhǔn)草案把測(cè)試頻率提高，其本質(zhì)上也是將試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度有所提高。

對(duì)發(fā)生器的性能必須進(jìn)行校驗(yàn)，以便對(duì)所有參與做試驗(yàn)的試驗(yàn)發(fā)生器的性能建立一個(gè)共同依據(jù)。校驗(yàn)可采用下列步驟：

在試驗(yàn)發(fā)生器的輸出端依次分別接入50Ω和1kΩ的同軸衰減器，并用示波器加以監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)用示波器的－3dB帶寬，以及體現(xiàn)試驗(yàn)發(fā)生器負(fù)載的50Ω和1kΩ的同軸衰減器的頻率響應(yīng)要求達(dá)到400MHz以上。其中50Ω是試驗(yàn)發(fā)生器的匹配負(fù)載；1kΩ試驗(yàn)負(fù)載則體現(xiàn)了發(fā)生器的一個(gè)復(fù)合負(fù)載。不同的試驗(yàn)發(fā)生器只有在兩種的負(fù)載條件下?lián)碛邢嗤匦裕拍鼙ＷC在實(shí)際的抗擾度試驗(yàn)中有相互可比的試驗(yàn)結(jié)果。

校驗(yàn)中要測(cè)量單個(gè)脈沖的上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和重復(fù)頻率；以及脈沖群的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)周期，詳細(xì)記錄在案。

在本文的表4中，對(duì)每一個(gè)設(shè)定電壓分別給出了在50Ω負(fù)載上測(cè)得的輸出電壓V_p（50Ω）以及1kΩ負(fù)載上測(cè)得的輸出電壓V_p（1kΩ）。其中V_p（50Ω）的幅值容差為0.5V_{p（開路輸出電壓）}±10%；V_p（1kΩ）的幅值容差為V_p（1kΩ）±20%。測(cè)量中要保證分布電容為zui小。

表4. 發(fā)生器輸出電壓的峰值和重復(fù)率

校驗(yàn)中，當(dāng)采用1kΩ的負(fù)載電阻時(shí)，示波器自動(dòng)讀出的電壓應(yīng)當(dāng)比V_{p（開路輸出電壓）}低5%，這是因?yàn)樵?kΩ上的V_p（1kΩ）＝V_{p（開路輸出電壓）}×1000/（1000＋50）＝0.95 V_{p（開路輸出電壓）}。考慮V_p（1kΩ）容差為±20%，V_p（1kΩ）的下限為0.8×0.95 V_{p（開路輸出電壓）}＝0.76 V_{p（開路輸出電壓）}。

V_p（1kΩ）的上限為1.2×0.95V_{p（開路輸出電壓）}＝1.14 V_{p（開路輸出電壓）}。即（0.76～1.14）V_{p（開路輸出電壓）}。

類似的計(jì)算分析，對(duì)于50Ω負(fù)載的測(cè)試電壓，因其幅值容差為±10%，故V_p（50Ω）應(yīng)當(dāng)?shù)扔冢?.45～0.55）V_{p（開路輸出電壓）}。

a） 原標(biāo)準(zhǔn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

b） 新標(biāo)準(zhǔn)草案的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

圖1 電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

用于電源線抗擾度試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，在原標(biāo)準(zhǔn)與新的標(biāo)準(zhǔn)草案中有一個(gè)zui大的不同點(diǎn)，前者是對(duì)逐根電源線做共模抗干擾試驗(yàn)；后者是對(duì)所有電源線路同時(shí)做共模抗干擾試驗(yàn)。分別見本文的圖1a和圖1b所示。

對(duì)于耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的性能，新標(biāo)準(zhǔn)草案只從試驗(yàn)的角度，提出了對(duì)特性參數(shù)的要求：

 

 

為了保證在交流/直流電源端口試驗(yàn)中使用的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)性能合格，光有上述基本要求是不夠的，還必須對(duì)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的共模輸出波形進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)時(shí)發(fā)生器的輸出電壓設(shè)置為4kV。發(fā)生器的輸出接耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的輸入，耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的輸生接50Ω負(fù)載，記錄峰值電壓和波形。校驗(yàn)要在每一條耦合/去耦通路上進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是：脈沖的上升時(shí)間為5ns±30%；脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)50Ω為50ns±30%，峰值電壓在表4要求上±10 %。

此外，當(dāng)被試設(shè)備以及電源與網(wǎng)絡(luò)脫開時(shí)，在耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)輸入端的殘余試驗(yàn)脈沖不超過所施試驗(yàn)電壓的10 %。

標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)波形校驗(yàn)結(jié)果一致性的規(guī)定是有重要意義的：實(shí)質(zhì)上，只有大體一致的試驗(yàn)波形才代表試驗(yàn)波形中的諧波成分及其含量的一致性，只有這樣，才能保證采用不同試驗(yàn)發(fā)生器時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果大體一致。

脈沖群對(duì)于I/O線、信號(hào)線、數(shù)據(jù)線和控制線抗擾度試驗(yàn)是通過電容耦合夾進(jìn)行的（如果前述耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)不適合使用在ac/dc電源端口時(shí)，也可采用電容耦合夾的耦合方式來對(duì)ac/dc電源端口進(jìn)行試驗(yàn)）。耦合夾的耦合電容取決于電纜的直徑、材料及電纜的屏蔽情況。

耦合電容典型值為100pF～1000pF（原標(biāo)準(zhǔn)寫50pF～200pF）。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)式型式試驗(yàn)的配置，在原標(biāo)準(zhǔn)與新的標(biāo)準(zhǔn)草案里有兩張非常相似的圖（分別見本文的圖2a和圖2b）。但當(dāng)你在仔細(xì)觀察這兩張圖時(shí)，還是能發(fā)現(xiàn)這兩張圖的差別，zui大的不同出現(xiàn)在這兩張圖的左側(cè)，關(guān)于臺(tái)式設(shè)備的試驗(yàn)配置。

按照新標(biāo)準(zhǔn)草案的配置，無論是地面安裝設(shè)備、臺(tái)式設(shè)備、以及其他結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備，都將放置在一塊參考接地板的上方。被試設(shè)備與參考接地板之間用0.1m±0.01m厚的絕緣支撐物隔開。新標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定，凡是安裝在天花板上或是墻壁上的設(shè)備都按臺(tái)式設(shè)備來做試驗(yàn)。新標(biāo)準(zhǔn)草案還規(guī)定，試驗(yàn)發(fā)生器和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)也直接放在參考接地板上，并與參考接地板保持低阻抗連接。

新標(biāo)準(zhǔn)草案指出與被試設(shè)備連接的所有電纜要放在離地高度為0.1m的絕緣支架上。明確這一點(diǎn)也很重要，因?yàn)楸辉囋O(shè)備的連接電纜與參考接地板之間構(gòu)成了一個(gè)分布電容，不一樣的離地高度，構(gòu)成的分布電容也是不同的。不同的分布電容，對(duì)脈沖群高頻諧波從連接電纜上的逸出情況也將是不一樣的，會(huì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果。

新標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)臺(tái)式設(shè)備試驗(yàn)配置方式的改變，則對(duì)臺(tái)式設(shè)備的試驗(yàn)嚴(yán)酷度以及試驗(yàn)結(jié)果的一致性有了極大提高。按照原標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)配置，臺(tái)式設(shè)備放在木頭桌子上，試驗(yàn)發(fā)生器放在參考接地板上（試驗(yàn)發(fā)生器的接地端子以低阻抗與參考接地板連接），迭加了干擾電壓的電源線則從地面處再伸展到臺(tái)式設(shè)備的電源輸入端。因此電源線的實(shí)際離地高度要在80cm以上，使得電源線相對(duì)參考平面的阻抗不能固定（不同的擺放位置有不同的阻抗），而且電源線過大的高頻阻抗（相對(duì)于電源線離開參考地平面為10cm的布局來說），使得電源線上的脈沖群干擾的高頻成分大量逸出，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入被試設(shè)備的干擾變?nèi)酢Ｒ虼死迷瓨?biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)草案提供的試驗(yàn)配置對(duì)同一臺(tái)設(shè)備做試驗(yàn)時(shí)，可以得出截然不同的結(jié)果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a） 原標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)的一般試驗(yàn)配置

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b） 新標(biāo)準(zhǔn)草案用于實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)的一般試驗(yàn)配置

 

圖2 實(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)的配置

 

此外，新標(biāo)準(zhǔn)草案特別指出，在耦合裝置與被試設(shè)備之間的電源線和信號(hào)線的長(zhǎng)度為0.5m±0.05m，而不是原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤1m。很顯然，后者的長(zhǎng)度不明確，從0～1m都屬適合范圍，但是不同的線長(zhǎng)，脈沖群高頻諧波的逸出情況是不同的，被試設(shè)備受到的干擾實(shí)際上是在線上的傳導(dǎo)干擾和逸出到空間的輻射干擾的綜合結(jié)果。不同的線長(zhǎng)，被試設(shè)備受到的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的比例是不同的，沒法保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性。因此，明確被試線路的長(zhǎng)度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可比性、一致性特別重要。本文圖3是試驗(yàn)電壓直接耦合到交流/直流電源端口的試驗(yàn)配置例。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3 試驗(yàn)電壓直接耦合到交流/直流電源端口的試驗(yàn)配置例

 

在新標(biāo)準(zhǔn)草案中提出了機(jī)架安裝設(shè)備的試驗(yàn)配置（見本文圖4），這在原標(biāo)準(zhǔn)中是沒有過的。新試驗(yàn)配置方案的提出，避免了由于試驗(yàn)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解不一所導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果不一。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖4 機(jī)架安裝設(shè)備的試驗(yàn)配置例

 

關(guān)于在I/O和通信端口上的試驗(yàn)配置，原標(biāo)準(zhǔn)與新標(biāo)準(zhǔn)草案都采用電容耦合夾耒做試驗(yàn)。但是原標(biāo)準(zhǔn)中（見原標(biāo)準(zhǔn)的圖9），當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，受試設(shè)備與耦合夾的距離l₁=l₂≤1m；當(dāng)只對(duì)一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，為了去耦，l₂至少要≥5m，或l₂＞5l₁。在新標(biāo)準(zhǔn)草案中（見新標(biāo)準(zhǔn)草案的圖10），兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)試驗(yàn)時(shí)，受試設(shè)備與耦合夾的距離l₁=l₂=0.5m±0.05m；當(dāng)僅對(duì)一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在不需要進(jìn)行試驗(yàn)的這一臺(tái)設(shè)備與耦合夾之間必須插入一個(gè)去耦網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)備在安裝現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)配置，包括電源端子和I/O以及通信端口上的試驗(yàn)，在新標(biāo)準(zhǔn)草案與原標(biāo)準(zhǔn)中都保持基本不變。只是經(jīng)軟線和插頭連接到電源的非固定被試設(shè)備在脈沖注入的方法及耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)與被試設(shè)備的距離作了與在實(shí)驗(yàn)室配置相類似變更，見本文圖5。

 

 

 

 

 

 

 

圖5非固定式被試設(shè)備交流電源端口和保護(hù)接地端子的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

 

為了加速試驗(yàn)，選擇試驗(yàn)時(shí)間為1分鐘。試驗(yàn)時(shí)間可以分割成6個(gè)10秒的脈沖群，每次間隔暫停10秒鐘。在實(shí)際的環(huán)境中，脈沖群是隨機(jī)發(fā)生的獨(dú)立事件，故不傾向于將脈沖群與被試設(shè)備的信號(hào)同步。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定委員會(huì)可以選擇其他的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。