電快速瞬變脈沖群（EFT）抗擾度是一種通用性強、測試方便、能高效暴露風險的EMS測試項目——通過模擬電網(wǎng)拉弧產(chǎn)生的一系列快速高壓尖峰脈沖來評估產(chǎn)品對瞬態(tài)高壓耐受能力同時暴露產(chǎn)品對瞬態(tài)射頻電場的耐受風險。
本文對電快速瞬變脈沖群脈沖的能量和頻譜進行了分析和實測，對電快速瞬變脈沖群耦合產(chǎn)生的電場進行了評估，對工程中較為實用的近場探頭電場注入、直接注入進行了介紹，并推薦利用波形發(fā)生器模擬電快速瞬變脈沖群脈沖直接注入的診斷分析方法和電快速瞬變脈沖群防護器件的實測方法供大家在EMC開發(fā)中參考。
電快速瞬變脈沖群的評估與測量頻譜分析
電快速瞬變脈沖群干擾的嚴酷程度可以從頻譜幅值、頻譜寬度、頻譜密度、功率譜等維度來進行評估，所以進行電快速瞬變脈沖群問題診斷分析首先需要了解電快速瞬變脈沖群脈沖的能量等級和頻譜分布。
電快速瞬變脈沖群的能量等級和嚴酷程度分析：
電快速瞬變脈沖群脈沖的參數(shù)由基礎(chǔ)標準IEC61000-4-4定義，EMC測試機構(gòu)的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器校準結(jié)果要符合標準要求從而保證測試結(jié)果重復性和可靠性。
電快速瞬變脈沖群測試標準發(fā)生器和輸出波形
電快速瞬變脈沖群實際校準波形（一）
電快速瞬變脈沖群實際校準波形（二）
電快速瞬變脈沖群標準中的發(fā)生器原理構(gòu)造和標準波形可以看出電快速瞬變脈沖群屬于典型的高電壓（0-4kV），短時瞬發(fā)(5/50nS)，內(nèi)阻較大(50Ω)且僅采用共模注入的抗擾度測試。電快速瞬變脈沖群測試每秒輸出250個脈沖，單個脈沖能量集中在50納秒以內(nèi)，脈沖能量可以精確計算也或利用示波器進行測量，也可以簡化為三角形計算：以2kV為例，單脈沖峰值功率
單脈沖能量為：
脈沖群平均能量為：
因此電快速瞬變脈沖群是一種瞬態(tài)峰值功率很大但脈沖能量和總能量較小的干擾，破壞性不強，但是并不意味著電快速瞬變脈沖群干擾能力弱，電快速瞬變脈沖群的瞬態(tài)的干擾能量，以高頻電場的形式發(fā)射到電磁環(huán)境的，需要從電快速瞬變脈沖群頻譜分布，來評估電快速瞬變脈沖群脈沖真實干擾能力。
電快速瞬變脈沖群頻譜的寬度分析
注入信號頻譜的寬度是抗擾度測試中非常重要的參數(shù)，EMS抗擾度測試使用不同的注入測試方法來注入不同的干擾頻譜，如傳導抗擾度測試150kHz-80MHz的連續(xù)波適合使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)直接對線纜注入，對于輻射抗擾度測試對于80MHz以上的信號則采用天線電場注入。EMS信號頻率越高空間耦合能力越強對受測設(shè)備的內(nèi)部影響也越大。我們以80MHz為參考分界判斷干擾的的主要傳輸路徑，80MHz以下線纜傳輸穩(wěn)定，而80MHz以上空間的發(fā)射更復雜，因此評估電快速瞬變脈沖群對受測設(shè)備的干擾耦合方式和強度要對電快速瞬變脈沖群干擾頻譜的幅度和寬度進行分析，我們可以利用脈沖波形的傅里葉變換近似計算來評估。
周期信號波形與頻譜的關(guān)系
周期信號波形與頻譜的關(guān)系我們可以推導出電快速瞬變脈沖群脈沖重復率5k或者100kHz對低次頻譜有影響，但頻譜的寬度主要由脈沖寬度和上升下降時間決定，因此脈寬TH =50nS決定電快速瞬變脈沖群脈沖的頻譜第一轉(zhuǎn)折點，上升下降時間tr =5nS決定第二轉(zhuǎn)折點64MHz，計算500V電快速瞬變脈沖群脈沖在第一轉(zhuǎn)折點6.4MHz之前的低次諧波幅值為：
（按三角波近似計算），因此64MHz為108dBµV（10倍頻降低20dB）, 640MHz有 68dBµV（10倍頻降低40dB）。理論推導出電快速瞬變脈沖群脈沖的頻譜非常寬，但我們還需要通過實測來驗證。
電快速瞬變脈沖群頻譜的實測
對于電快速瞬變脈沖群頻譜的實測，示波器量能夠測量電快速瞬變脈沖群脈沖波形但不能輸出頻譜，頻譜儀能夠輸出頻譜但不能耐受瞬態(tài)高壓，因此我們需要利用高壓同軸衰減器將電快速瞬變脈沖群信號衰減到一定程度才能送入頻譜儀進行電快速瞬變脈沖群頻譜實測，以下是電快速瞬變脈沖群頻譜測試布置和衰減器校準布置。
電快速瞬變脈沖群頻譜的測量
電快速瞬變脈沖群使用的衰減器校準
我們利用20dB 50W衰減器進行第一級衰減，利用20dB 5W衰減器進行第二級衰減， 500V EFT信號經(jīng)過40dB衰減（100倍）和50Ω內(nèi)阻分壓之后峰值電壓為2.5V，可以用示波器和頻譜分析儀直接測量電快速瞬變脈沖群的時域波形和頻譜波形。圖中兩個衰減器組合的校準系數(shù)為-40dB，因此我們需要對頻譜分析儀得到的頻譜進行40dB補償。
500V EFT衰減40dB后的測量頻譜
頻譜經(jīng)過40dB的衰減，我們進行補償之后可以得到500V電快速瞬變脈沖群脈沖100kHz的頻譜低次諧波幅值為128dBµV，第一轉(zhuǎn)折點6.4M幅值118dBµV，第二轉(zhuǎn)折點64MHz幅值低20dB，為98dBµV,考慮50Ω的分壓6dB，實測結(jié)果幅值與我們的理論分析值接近。更高的電快速瞬變脈沖群電壓會使得頻譜幅值相應(yīng)上升，會使得64-640MHz輻射頻段的幅值相應(yīng)上升。因此，實測結(jié)果與理論分析都表明電快速瞬變脈沖群脈沖高頻成分豐富，而高頻能量并不依賴沿線纜傳播還可以通過空間直接發(fā)射，在電快速瞬變脈沖群測試并不僅僅是線纜的共模注入還必定伴有高頻電場干擾。
利用天線對EFT的電場頻譜和強度進行測量：
對電快速瞬變脈沖群干擾電場進行實測有利于我們更直觀評估電快速瞬變脈沖群的干擾能力。電快速瞬變脈沖群注入可以采用CDN對50cm長的電源線纜進行直接注入，也可以用容性耦合夾對信號線纜進行耦合注入，兩種方式電快速瞬變脈沖群脈沖都能產(chǎn)生相應(yīng)的高頻電場。這里我們采用容性耦合夾耦合來對電快速瞬變脈沖群的耦合能力和產(chǎn)生的電場進行評估。
電快速瞬變脈沖群耦合電場的測量布置
電快速瞬變脈沖群耦合電場的測實測數(shù)據(jù)
電快速瞬變脈沖群脈沖發(fā)生器通過容性耦合夾對長度3米放置在0.8米木桌上兩端下垂的金屬線纜進行耦合，線纜輻射出的電快速瞬變脈沖群電場被距離3米的雙錐天線接收并由EMI接收機測量。右圖是實測500V電快速瞬變脈沖群信號通過標準100p容性耦合夾耦合能在3米距離30-500MHz頻段產(chǎn)生最大80dBuV/m的電場，可以看出電快速瞬變脈沖群的耦合能力、干擾電場強度很強同時頻譜范圍很寬。電快速瞬變脈沖群實際測試中注入等級更高EUT距離更近因此電快速瞬變脈沖群電場干擾更強，因此很多電快速瞬變脈沖群問題中不但要考慮沿線纜的注入還需要考慮由于電纜發(fā)射而產(chǎn)生的電場干擾，尤其沒有金屬屏蔽的產(chǎn)品需要特別注意電快速瞬變脈沖群電場對內(nèi)部電路的直接干擾。
本文作者為宋志強老師，宋志強老師長期從事醫(yī)療產(chǎn)品、新能源產(chǎn)品的EMC設(shè)計與調(diào)試，積累了豐厚的經(jīng)驗。長期從事理論與實戰(zhàn)研究，尤其擅長EMC調(diào)試工具的研發(fā)與設(shè)計，大家有醫(yī)療產(chǎn)品、新能源產(chǎn)品的EMC問題可以找宋老師來深入交流。