电子产品电快速瞬变脉冲群干扰的防护

第10卷第3期 Vol. 10No. 3

无锡职业技术学院学报

JOU R N AL OF WU X I IN ST IT U T E O F T ECH N OL OG Y

2011年6月 Jun. 2011

电子产品电快速瞬变脉冲群干扰的防护

罗惠敏

(无锡职业技术学院电子与信息技术学院, 江苏 无锡 214121)

摘 要:随着电子技术应用的飞速发展, 电子电器产品已得到广泛的应用, 人们越来越重视电磁环境与电磁干扰对电子电器产品可靠性的影响, 逐渐形成一门新兴技术分支 电子电器产品的电磁兼容性技术, 它主要包括静电放电, 辐射电磁场, 电快速瞬变脉冲群以及雷击浪涌要求。其中电快速瞬变脉冲群的分析与研究尤为重要, 文章从分析电快速瞬变脉冲群产生的原因着手, 总结出电快速瞬变脉冲群特征, 提出了试验和防护解决方法。

关键词:电快速瞬变脉冲群; 试验方法; 防护方法

中图分类号:T N 78 文献标志码:A 文章编号:1671 7880(2011) 03 0043 03

Electronic Interference with Electrical Fast Transient Burst Protection

L UO H uimin

(School of Electronic and Infor mation Technolog y, Wux i Institute of Technolog y, Wuxi 214121, China) Abstract:With the rapid development of electr onic technolo gy, electronic products hav e been w idely used, there is gr ow ing attention to electrom agnetic interference electrom ag netic enviro nm ent and the r eliability o f the impact of electrical and electro nic products, and g radually form ed a br anch of emerging technologies electrical and electr onic products EM C technolog y, including electrostatic discharge, radiated electrom ag netic fields, electr ical fast transient burst, and lig htning surge requirem ents. Electrical fast transient burst in w hich the analy sis and r esearch is par ticularly important, the paper analyzes electrical fast transient bur st causes start, summ ed up the characteristics o f electrical fast tr ansient bur st pro posed test and protec tion so lutions.

Key words:electrical fast tr ansient burst; test m ethods; pro tection methods.

在电子产品工业运行环境中存在着一些短暂的高能量的脉冲干扰源, 这些干扰对电子电器及装置的正常工作有非常大的影响, 严重时不但要损坏元器件, 甚至损坏设备以至于整个系统。这些干扰特别是快速脉冲群干扰对我们的硬件电路设计提出了更高的要求, 电子产品如何能够在这种强干扰条件下稳定工作, 是产品设计中要解决的主要问题。

1 电快速瞬变脉冲群的干扰

产生瞬态脉冲干扰源的原因有:雷电放电、静电放电、电力系统的开关动作过程等。比如在插线板上插拔一个用电设备的插头、或者用开关切断一个用电设备的导电通路的瞬间会产生电火花。另外在电感负载断开、继电器触点切换以及电钻操作时都会在电网上产生瞬态脉冲群干扰, 由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因, 会在断开点

收稿日期:2011 03 15作者简介:罗惠敏(1964

) , 男, 广东兴宁人, 高级工程师, 副教授, 研究方向:电子信息技术。

处产生暂态干扰。这种暂态干扰以脉冲群形式出现, 如果电感性负载多次重复开关, 则脉冲群又会以相应的时间间隔多次重复出现。这种暂态干扰能量较小, 一般不太能够引起设备的损坏, 但由于其频谱分布宽, 所以会对电子设备的可靠工作产生影响, 它会使设备的数字系统尤其是CPU 系统完全陷入混乱, 程序跑飞、系统不断复位、数据出现混乱, 使电子设备无法正常工作。

常见的瞬态脉冲干扰源有电快速瞬变脉冲群干扰、静电放电干扰、浪涌(冲击) 干扰及1M H z 脉冲群干扰等。

脉冲群干扰的特点:脉冲成群出现、脉冲的重复频率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。实践中, 因电快速瞬变脉冲群造成设备故障的概率较少, 但使设备产生的误动作的情况会经常出现, 除非有合适的对策, 否则较难通过电快速瞬变脉冲群试验。能否通过该试验的测试是衡量该电子设备稳定可靠性的重要指标。

计的, 具有可靠性好、性能稳定、使用方便等特点。设备的指标符合IEC61000 4 4、EN60100 4 4和GB/T 17626. 4标准的要求。试验方法可采用1) 对电源线的试验(包括交流和直流) , 通过耦合与去耦网络, 用共模方式, 在每个电源端子与最近的保护接地点之间, 或与参考接地板之间加试验电压。2) 对控制线、信号线及通信设备, 用共模方式, 通过电容耦合夹子来施加试验电压。3) 对于设备的保护接地端子, 试验电压加在端子与参考接地之间。试验结果可分为4种情况:1) 被测设备性能正常; 2) 功能或性能暂时丧失或降低, 但能自行恢复; 3) 功能或性能暂时丧失或降低, 需人工干预或系统复位; 4) 功能或性能降低或丧失, 不可恢复。验收一个电子设备的干扰适应性, 视试验结果1) 或2) 判断其是否合格。测试时应尽可能要求被测设备接近正常或典型的实际运行状态, 被测设备应包含所需的硬件、软件和固件, 并在测试前、测试中、测试后工作正常, 无功能降级。脉冲群抗扰度试验是与试验方法和试验配置相关性比较大的一项试验, 也是重复性较差的一项试验。国际电工委员会对脉冲群抗扰度试验的标准进行了多次修改, 进一步保证了试验的重复性和可比性。

2 电快速瞬变脉冲群试验

进行该试验的目的是验证电子设备由闪电、接地故障或切换电感性负载而引起的瞬时扰动的抗干扰能力, 对电气和电子设备建立一个评价抗击电快速瞬变脉冲群的共同依据。我国EFT/B (电快速瞬变脉冲群试验) 的三级标准所规定的抗干扰能力见表1:

表1 电快速瞬变脉冲群试验条件

Tab. 1 Experiment co ndition of electrical fast transient burst

端口名称电源和模拟量端口数据和控制端口

抗共模干扰信号峰值/kV

21

抗差模干扰信号峰值/kV

10. 5

波形重复率/KH z

55

3 电快速瞬变脉冲群的防护

为了提高电子设备的抗电快速脉冲群干扰能力, 必须从产品开始设计时就给予足够的重视。设计思路可以从电磁兼容的三要素, 即电磁干扰源、电磁干扰可能传播的路径及易接收干扰的电磁敏感电路和器件入手。也就是1) 首先, 要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质, 尽量消除或降低电磁干扰源的参数。2) 其次, 要充分了解电磁干扰可能传播的路径, 尽量切断其路径, 或降低与电磁干扰耦合的能力。3) 最后, 要充分认识易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件, 尽量杜绝其接收电磁干扰的可能性。据此, 在设计时应采取相应对策, 消除或部分消除可能出现的电磁干扰, 以减轻调试工作的压力。在调试中, 针对具体出现的电磁干扰, 以及接收电磁干扰的电路和元器件的表现进行分析, 以确定电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径, 再采取相应的解决办法。

电快速瞬变脉冲群干扰一般通过传导性耦合、电容电感耦合、电磁辐射等三条途径作用于电子设备的电源系统、信号线、控制线。广谱的干扰通过电源线以共模的方式耦合进系统很难消除, 必须在电源进线上采取滤波措施, 在电源前级将其滤除。

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验是一种将试验波形耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。此波形不是感性负载断开的实际波形(感性负载断开时产生的干扰幅度是递增的) , 而实验所采用的波形使实验等级更为严酷。电快速脉冲群波形是由间隔为

300m s 的连续脉冲串构成, 每一个脉冲串持续15ms, 由数个无极性的单个脉冲波形组成, 单个脉冲的上升沿5ns, 持续时间50ns, 重复频率5kH z 。一般采用群脉冲发生器产生试验群快速脉冲, 群脉冲发生器主要技术参数是按照电气、电子产品对于电快速瞬变脉冲群试验的特点和要求而专门设

以2kV 的电快速脉冲群干扰为例, 为了使尖脉冲不至于使CPU 产生复位, 必须将其幅度衰减到15V 以下。这就是说要在5kH z~几十M H z 的范围内, 将所有频率的信号都衰减80~100dB 。这样一个滤波器用传统的方法是难以实现的。吸收式滤波器是由有耗器件构成的, 在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗, 从而起到滤波作用。用于电磁噪声抑制的铁氧体是一种磁性材料, 由铁、镍、锌氧化物混合而成, 具有很高的电阻率和较高的磁导率。铁氧体一般做成中空型, 导线穿过其中。当导线中的电流穿过铁氧体时低频电流可以几乎是无衰减地通过, 但高频电流却会受到很大的损耗, 从而转变成热量散发。

数字电路对于脉冲的干扰比较敏感, 侵入到后续电路的电脉冲信号通过直接触发或静电耦合, 在IC 的输入端, 电快速脉冲对寄生电容充电, 通过从多脉冲的逐级累积, 最后到达或超过了IC 的抗扰度电平, 引起数字电路工作的不正常。对于数字电路来说, 脉冲群的抑制方法有以下几种:1) 在电源端口处安装滤波器, 它能抑制电路或设备向外传播的电磁干扰, 也能抑制外来干扰的侵入, 安装时要注意将滤波器良好的接地。在PCB 层次, 电源输入位置要做好滤波, 通常采用的是大小电容组合, 根据实际情况可以酌情再添加一级磁珠来滤除高频。2) 安装带有屏蔽层的变压器, 这种变压器对抑制脉冲干扰有较好的效果, 对于低频段的干扰也具有良好的抑制性能, 安装时同样要注意接地问题。3) 对硬件采取措施, 避免选用脉冲边沿触发的电路, 采用门电路或选通脉冲触发技术, 将使电路仅在脉冲干扰和选通同时发生时才造成误动作, 从而提高电路的抗干扰能力。

对于模拟电路来说, 脉冲群的抑制方法有下面

几种:1) 尽量使用平衡的电路, 这样能减少对外界电磁场的耦合效应。2) 尽量选用大的工作电平, 以减少高频解调效应。3) 尽量选用小的工作频率宽度, 以减少外界高频信号进入工作电路的可能性。4) 将最敏感的部分与各种潜在的干扰源隔离开。发现干扰源后可利用屏蔽、吸收等手段减少干扰信号的干扰能力, 并在安装前对其进行测试。在综合布线中, 要注意强弱电的布线隔离、信号线与功率线的隔离、 干净 线与 不干净 线的布线隔离。对于单片机智能系统电路来说在受到干扰后将出现比一般电路更加复杂的情况。如程序正常执行时出现地址跳转的情况, 或将数据解释为命令, 命令解释为数据, 程序处于混乱状态。我们除了可以在硬件上采取类似数模电路的抗干扰措施外, 在程序设计上也可以采取软措施来解决干扰问题, 如利用看门狗技术来实现抗干扰。它的基本思想是:当系统的软、硬件工作正常时, 通过程序每隔一个固定时间就向计数器预置固定的值, 而计数器按时钟脉冲作减法计数。当预置时间长于计数时间, 计数器不会计数到零。当系统受到干扰的话, 这种状态就要打破, 计数器就会计数到零。这时系统就认为接受到干扰报警信号, 系统将进入复位初始化状态, 重新启动, 以消除突然干扰的影响, 保证系统能处于正常工作状态。当然, 时间的设置需要照顾到时钟和程序初始化时间的长短的关系。参考文献:

[1] 付润江, 金波, 杜勇. 电快速脉冲群干扰的频谱分析及

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[2] 王剑乔, 刘建新. 微机保护抗电快速瞬变脉冲群干扰

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