淺談電快速瞬變脈沖群干擾抑制之技巧

劉薇

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 310012）

引言

隨著智能化技術(shù)的普及，電子設(shè)備的功能越來越強大，但同時也面臨著越來越敏感、越來越脆弱的風(fēng)險。如何消除和降低這種風(fēng)險，關(guān)鍵在于提高電子設(shè)備承受各種電磁干擾和各種瞬態(tài)脈沖干擾的能力。電快速瞬變脈沖群就是一種典型的對電子設(shè)備造成隱患和危害的瞬態(tài)干擾信號。這種干擾脈沖經(jīng)常會導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生誤動作、復(fù)位、死機或通訊中斷、屏幕閃爍、按鍵失靈等現(xiàn)象，對電子設(shè)備的正常使用帶來嚴(yán)重影響。所以電子設(shè)備必須具有較強的電快速瞬變脈沖群抗擾能力。

1 電快速瞬變脈沖群特性概述

電快速瞬變脈沖群（Electrical Fast Transient，EFT）主要來自電路中的開關(guān)切換瞬態(tài)過程，如斷開感性負(fù)載、繼電器觸點彈跳等。這類干擾脈沖的特點是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)頻率較高、脈沖的上升時間很快、單個脈沖的能量較低。在不同的應(yīng)用環(huán)境中，這類干擾脈沖所呈現(xiàn)的強度和時域特性是不同的，對電子設(shè)備的功能和可靠性的影響程度也有差異。為了對電子設(shè)備在受到脈沖群干擾時的承受能力進行準(zhǔn)確評估，國際電工委員會制定了IEC 61000-4-4《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了脈沖群的特性參數(shù)，并同時規(guī)定了電子設(shè)備在其所處環(huán)境中必須達(dá)到的試驗等級。

圖1和圖2是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脈沖群波形圖和單個脈沖波形圖[1]，其中的參數(shù)如下：

—單個脈沖上升時間：5（1±30 %）ns

—單個脈沖持續(xù)時間（50 %值）：50（1±30 %）ns

—脈沖重復(fù)頻率：5 kHz或100 kHz

圖1 電快速瞬變脈沖群概略圖

圖2 輸出到50 Ω負(fù)載的單個脈沖波形

圖3 試驗等級

—脈沖群持續(xù)時間：5 kHz時為15（1±20 %）ms 100 kHz時為0.75（1±20 %）ms

—脈沖群重復(fù)周期：300（1±20 %）ms

圖3是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗等級[2]，分別對應(yīng)不同的使用環(huán)境：①第1級，具有良好的保護環(huán)境；②第2級，受保護的環(huán)境；③第3級，典型的工業(yè)環(huán)境；④第4級，嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境；⑤第X級，特殊環(huán)境。所有電子設(shè)備都應(yīng)根據(jù)其實際使用的環(huán)境，選擇相應(yīng)的試驗等級，進行脈沖群抗擾試驗并滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能要求。

2 電快速瞬變脈沖群干擾抑制原理及方法

電快速瞬變脈沖群源自電子電氣設(shè)備在使用過程中的感性負(fù)載切換，這種切換動作所產(chǎn)生的脈沖干擾是一種時域信號，但是這些脈沖的瞬變特性導(dǎo)致同時產(chǎn)生了頻域干擾信號。因此電快速瞬變脈沖群對電子設(shè)備形成干擾的途徑不僅是互連電纜還包含了空間輻射，這樣必需從電纜傳導(dǎo)和空間輻射兩個方面采取有效的抑制措施，才能確保電子產(chǎn)品具有較強的電快速瞬變脈沖群抗擾能力。

2.1 電源線傳導(dǎo)引起的EFT干擾抑制

電快速瞬變脈沖在實際的電源電路中以共模方式呈現(xiàn)。IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用圖4[2]共模注入方式對電子產(chǎn)品的交流和直流電源端口施加電快速瞬變脈沖群干擾信號。針對這種在電源的源端出現(xiàn)的脈沖群干擾信號，在電源電路輸入前端用濾波的方法進行抑制是最基本的手段。濾波電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)如何確定，最簡單的辦法是參考圖4電源端口注入網(wǎng)絡(luò)中的去耦電路。去耦電路中的共模濾波電容可以取1 000～4 700 pF，濾波電感可以取0.1～10 mH。當(dāng)電路的工作電流較小時，濾波電感可以用差模電感，而且電感量也可以取值較大（如20 mH），以獲得較好的抑制效果。但工作電流較大時必須用共模電感，以避免產(chǎn)生磁飽和情況。另外，要結(jié)合產(chǎn)品使用環(huán)境和產(chǎn)品技術(shù)要求以及產(chǎn)品內(nèi)部空間限制和成本控制對濾波電容和電感的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 信號線傳導(dǎo)引起的EFT干擾抑制

電快速瞬變脈沖在信號線上呈現(xiàn)出來的干擾，源自沿導(dǎo)線本身傳播和通過分布電容耦合兩種途徑。IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用圖5[1]所示的容性耦合夾對信號線施加干擾。針對信號線上的EFT干擾的抑制，一般采用加高頻磁環(huán)和在接口電路加高頻去耦電容的方法。磁環(huán)的取值為100～600 Ω/100 MHz，去耦電容的取值為10～1 000 pF，具體的參數(shù)要根據(jù)信號傳輸速率和帶寬來確定。另外，還可以使用屏蔽信號線，或者對已屏蔽的信號線加強屏蔽效果和改善屏蔽接地性能。

2.3 空間輻射引起的EFT干擾抑制

任何瞬態(tài)脈沖都會產(chǎn)生相應(yīng)的頻譜[3]，如圖6所示。脈沖信號的上升時間、脈沖寬度、重復(fù)周期以及脈沖幅值決定脈沖頻譜的頻率范圍和幅值分布。根據(jù)圖2的電快速瞬變脈沖波形參數(shù)（tr=5 ns），可以得出EFT脈沖頻譜的轉(zhuǎn)折頻率為63.7 MHz，實際應(yīng)用中還有高次諧波信號輻射的影響，導(dǎo)致EFT的頻譜范圍從數(shù)十兆至數(shù)百兆。所以電快速瞬變脈沖干擾信號在沿著電源線和信號線傳播的同時還在周圍空間形成了頻率范圍很寬的電磁場。在這種情況下，不僅是電源線、信號線還包括電路中的線束以及PCB上的布線，都有可能起到接收天線的作用，把干擾信號引入到各個接口電路和內(nèi)部控制電路。對于這種由EFT瞬態(tài)電磁場引起的干擾的抑制，在很大程度上可以參考射頻輻射干擾的抑制方法，如局部屏蔽、接地處理、多層布線等。另一方面，在接口電路和控制芯片的關(guān)鍵PIN腳（如電源引腳、時鐘引腳、復(fù)位引腳）加去耦電容或磁珠，去耦電容和磁珠的參數(shù)按照2.1章節(jié)和2.2章節(jié)所述原則進行確定。

圖4 對電源端口注入電快速瞬變脈沖群示意圖

圖5 容性耦合夾

圖6 脈沖信號的頻譜

3 電快速瞬變脈沖群干擾抑制整改案例

對于很多電子產(chǎn)品來說，雖然在設(shè)計過程中采取了多種EFT干擾抑制措施，但往往在使用環(huán)境中還會因為受到EFT信號干擾而出現(xiàn)異常，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重失效。這時就必須對該產(chǎn)品進行深入分析，找到根本原因，采取針對性的整改措施，并通過試驗進行驗證。下面用3個案例加以闡述。

1）案例1

某種規(guī)格的油煙機控制器，在個別使用場地會頻繁出現(xiàn)按鍵失靈、死機現(xiàn)象。在實驗室對該規(guī)格樣機施加1 500 V脈沖群干擾信號時，指示燈持續(xù)閃爍，按鍵無響應(yīng)。該油煙機控制器的電路組成如下：AC/DC電源模塊（輸出12 V、5 V）、單片機87LPC76、顯示控制芯片74HC164、顯示屏。其中，電源模塊有高頻濾波電路，單片機有兩級瞬態(tài)抑制。針對這種情況，嘗試了3種整改措施：① 在輸入電源線加鐵氧體磁環(huán)：試驗結(jié)果有改善，指示燈僅微弱閃爍，不死機；② 在5 V電源PIN腳加100 nF陶瓷電容：試驗結(jié)果無改善；③ 在芯片74HC164的輸入數(shù)據(jù)PIN腳和時鐘PIN腳加1 000 pF陶瓷電容：試驗過程中無任何異?，F(xiàn)象，徹底解決了問題。

2）案例2

某種規(guī)格的注塑機控制板，在使用過程中有時會非預(yù)期切換多個狀態(tài)指示燈，有時會出現(xiàn)全部指示燈異常點亮現(xiàn)象。在實驗室對該型號控制板施加2 000 V脈沖群干擾信號，能夠復(fù)現(xiàn)上述現(xiàn)象。由于在試驗過程中注塑機控制板對其負(fù)載板的控制正常，計數(shù)功能正常，所以不針對單片機做整改。通過進一步分析，找到兩種有效整改方案：① 在交流電源輸入端加濾波器（Y電容4 700 pF，共模電感5.7 mH）；② 在顯示控制芯片的3根數(shù)據(jù)線輸入PIN腳分別對地加1 000 pF瓷片電容。

3）案例3

某品牌DVR（Digital Video Recorder）在1 000 V脈沖群干擾試驗中，一直處于死機狀態(tài)。測試人員對主機嘗試了很多整改措施，基本上都無效。后來發(fā)現(xiàn)問題點在于鼠標(biāo)，更換了一款高品質(zhì)的鼠標(biāo)之后，試驗非常順利，沒有任何異常。還有一個類似的案例：某品牌PC機在實驗室做許可證試驗，對樣機施加1 000 V脈沖群干擾信號時，鍵盤閉鎖，主機死機。后來更換了鍵盤重做試驗，狀態(tài)正常，結(jié)果合格。從這兩個案例可以看出，對于鼠標(biāo)和鍵盤等帶有較長、較細(xì)連接線纜的串口附件，其EFT抗擾能力很差。究其原因，主要是由于EFT瞬態(tài)脈沖所產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場在數(shù)十兆頻率范圍有較大的強度。鼠標(biāo)和鍵盤的線纜長度剛好處于這個波段，對EFT瞬態(tài)場有較強的拾取能力。所以對于配置了鼠標(biāo)和鍵盤等類似附件的產(chǎn)品，必須在主板上相應(yīng)的接口加高頻去耦電容或高頻磁珠。如果是外配附件，則要選擇品質(zhì)較好的產(chǎn)品。

4 結(jié)語

以上3個案例分別對應(yīng)于三種典型的產(chǎn)品類別：家用電器、工業(yè)控制、IT設(shè)備，從這3個案例可以總結(jié)出對于EFT干擾抑制的幾個要點：①在產(chǎn)品設(shè)計過程中，敏感度電平要有一定的裕量，以避免在邊界條件下和特殊環(huán)境中出現(xiàn)EFT干擾故障；②控制類產(chǎn)品的顯示屏對EFT干擾比較敏感，必須要有針對性的抑制措施；③IT設(shè)備通常包含較多附件，在實施EFT整改時要首先對故障現(xiàn)象定位，以免走彎路；④針對EFT干擾的整改，要從產(chǎn)品整體EMC特性出發(fā)，可以首先關(guān)注其傳導(dǎo)干擾、輻射干擾特性，因為傳導(dǎo)和輻射整改措施往往會明顯改善EFT抗擾性能；⑤要從多途徑、多角度實施整改對策，以獲取成本低、效果好的最佳方案。本文所闡述的EFT干擾抑制的基本方法和具體整改措施及技巧，可以給電子產(chǎn)品研發(fā)人員和測試人員提供參考。