電快速瞬變脈沖群（EFT）抗擾度是一種通用性強(qiáng)、測(cè)試方便、能高效暴露風(fēng)險(xiǎn)的EMS測(cè)試項(xiàng)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(píng)估產(chǎn)品對(duì)瞬態(tài)高壓耐受能力同時(shí)暴露產(chǎn)品對(duì)瞬態(tài)射頻電場(chǎng)的耐受風(fēng)險(xiǎn)。
本文對(duì)電快速瞬變脈沖群脈沖的能量和頻譜進(jìn)行了分析和實(shí)測(cè)，對(duì)電快速瞬變脈沖群耦合產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)工程中較為實(shí)用的近場(chǎng)探頭電場(chǎng)注入、直接注入進(jìn)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(hù)器件的實(shí)測(cè)方法供大家在EMC開發(fā)中參考。
電快速瞬變脈沖群的評(píng)估與測(cè)量頻譜分析
電快速瞬變脈沖群干擾的嚴(yán)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(jìn)行評(píng)估，所以進(jìn)行電快速瞬變脈沖群?jiǎn)栴}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(jí)和頻譜分布。
電快速瞬變脈沖群的能量等級(jí)和嚴(yán)酷程度分析：
電快速瞬變脈沖群脈沖的參數(shù)由基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4定義，EMC測(cè)試機(jī)構(gòu)的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器校準(zhǔn)結(jié)果要符合標(biāo)準(zhǔn)要求從而保證測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和可靠性。
電快速瞬變脈沖群測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器和輸出波形
電快速瞬變脈沖群實(shí)際校準(zhǔn)波形（一）
電快速瞬變脈沖群實(shí)際校準(zhǔn)波形（二）
電快速瞬變脈沖群標(biāo)準(zhǔn)中的發(fā)生器原理構(gòu)造和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)瞬發(fā)(5/50nS)，內(nèi)阻較大(50Ω)且僅采用共模注入的抗擾度測(cè)試。電快速瞬變脈沖群測(cè)試每秒輸出250個(gè)脈沖，單個(gè)脈沖能量集中在50納秒以內(nèi)，脈沖能量可以精確計(jì)算也或利用示波器進(jìn)行測(cè)量，也可以簡(jiǎn)化為三角形計(jì)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(qiáng)，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(chǎng)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(píng)估電快速瞬變脈沖群脈沖真實(shí)干擾能力。
電快速瞬變脈沖群頻譜的寬度分析
注入信號(hào)頻譜的寬度是抗擾度測(cè)試中非常重要的參數(shù)，EMS抗擾度測(cè)試使用不同的注入測(cè)試方法來注入不同的干擾頻譜，如傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試150kHz-80MHz的連續(xù)波適合使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)線纜注入，對(duì)于輻射抗擾度測(cè)試對(duì)于80MHz以上的信號(hào)則采用天線電場(chǎng)注入。EMS信號(hào)頻率越高空間耦合能力越強(qiáng)對(duì)受測(cè)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(fù)雜，因此評(píng)估電快速瞬變脈沖群對(duì)受測(cè)設(shè)備的干擾耦合方式和強(qiáng)度要對(duì)電快速瞬變脈沖群干擾頻譜的幅度和寬度進(jìn)行分析，我們可以利用脈沖波形的傅里葉變換近似計(jì)算來評(píng)估。
周期信號(hào)波形與頻譜的關(guān)系
周期信號(hào)波形與頻譜的關(guān)系我們可以推導(dǎo)出電快速瞬變脈沖群脈沖重復(fù)率5k或者100kHz對(duì)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(shí)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(diǎn)，上升下降時(shí)間tr =5nS決定第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)64MHz，計(jì)算500V電快速瞬變脈沖群脈沖在第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)6.4MHz之前的低次諧波幅值為：
（按三角波近似計(jì)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(dǎo)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(shí)測(cè)來驗(yàn)證。
電快速瞬變脈沖群頻譜的實(shí)測(cè)
對(duì)于電快速瞬變脈沖群頻譜的實(shí)測(cè)，示波器量能夠測(cè)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(hào)衰減到一定程度才能送入頻譜儀進(jìn)行電快速瞬變脈沖群頻譜實(shí)測(cè)，以下是電快速瞬變脈沖群頻譜測(cè)試布置和衰減器校準(zhǔn)布置。
電快速瞬變脈沖群頻譜的測(cè)量
電快速瞬變脈沖群使用的衰減器校準(zhǔn)
我們利用20dB 50W衰減器進(jìn)行第一級(jí)衰減，利用20dB 5W衰減器進(jìn)行第二級(jí)衰減， 500V EFT信號(hào)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(cè)量電快速瞬變脈沖群的時(shí)域波形和頻譜波形。圖中兩個(gè)衰減器組合的校準(zhǔn)系數(shù)為-40dB，因此我們需要對(duì)頻譜分析儀得到的頻譜進(jìn)行40dB補(bǔ)償。
500V EFT衰減40dB后的測(cè)量頻譜
頻譜經(jīng)過40dB的衰減，我們進(jìn)行補(bǔ)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(diǎn)6.4M幅值118dBµV，第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)64MHz幅值低20dB，為98dBµV,考慮50Ω的分壓6dB，實(shí)測(cè)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(huì)使得頻譜幅值相應(yīng)上升，會(huì)使得64-640MHz輻射頻段的幅值相應(yīng)上升。因此，實(shí)測(cè)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(cè)試并不僅僅是線纜的共模注入還必定伴有高頻電場(chǎng)干擾。
利用天線對(duì)EFT的電場(chǎng)頻譜和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量：
對(duì)電快速瞬變脈沖群干擾電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)有利于我們更直觀評(píng)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(duì)50cm長(zhǎng)的電源線纜進(jìn)行直接注入，也可以用容性耦合夾對(duì)信號(hào)線纜進(jìn)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(chǎng)。這里我們采用容性耦合夾耦合來對(duì)電快速瞬變脈沖群的耦合能力和產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估。
電快速瞬變脈沖群耦合電場(chǎng)的測(cè)量布置
電快速瞬變脈沖群耦合電場(chǎng)的測(cè)實(shí)測(cè)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(duì)長(zhǎng)度3米放置在0.8米木桌上兩端下垂的金屬線纜進(jìn)行耦合，線纜輻射出的電快速瞬變脈沖群電場(chǎng)被距離3米的雙錐天線接收并由EMI接收機(jī)測(cè)量。右圖是實(shí)測(cè)500V電快速瞬變脈沖群信號(hào)通過標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)，可以看出電快速瞬變脈沖群的耦合能力、干擾電場(chǎng)強(qiáng)度很強(qiáng)同時(shí)頻譜范圍很寬。電快速瞬變脈沖群實(shí)際測(cè)試中注入等級(jí)更高EUT距離更近因此電快速瞬變脈沖群電場(chǎng)干擾更強(qiáng)，因此很多電快速瞬變脈沖群?jiǎn)栴}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(chǎng)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(chǎng)對(duì)內(nèi)部電路的直接干擾。
本文作者為宋志強(qiáng)老師，宋志強(qiáng)老師長(zhǎng)期從事醫(yī)療產(chǎn)品、新能源產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)與調(diào)試，積累了豐厚的經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)期從事理論與實(shí)戰(zhàn)研究，尤其擅長(zhǎng)EMC調(diào)試工具的研發(fā)與設(shè)計(jì)，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。