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電快速瞬變脈沖群測量頻譜的分析
電快速瞬變脈(mo)沖(chong)群(qun)(EFT)抗擾(rao)度是一(yi)種通用性強、測(ce)(ce)試(shi)方便、能高效暴(bao)露風險的(de)EMS測(ce)(ce)試(shi)項目——通過模擬電網拉(la)弧產生的(de)一(yi)系列快速高壓尖(jian)峰脈(mo)沖(chong)來評(ping)估產品對瞬態高壓耐受能力同(tong)時(shi)暴(bao)露產品對瞬態射(she)頻(pin)電場的(de)耐受風險。
本(ben)文(wen)對電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)脈(mo)沖(chong)(chong)的能(neng)量(liang)和頻譜(pu)進行(xing)了(le)分(fen)(fen)析和實測(ce),對電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)耦(ou)合產生(sheng)的電(dian)場進行(xing)了(le)評(ping)估,對工程中(zhong)較為實用的近場探頭電(dian)場注入、直接(jie)(jie)注入進行(xing)了(le)介紹,并推薦利用波形(xing)發生(sheng)器模擬電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)脈(mo)沖(chong)(chong)直接(jie)(jie)注入的診(zhen)斷分(fen)(fen)析方法和電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)防護器件的實測(ce)方法供(gong)大家在EMC開(kai)發中(zhong)參考。
電快(kuai)速(su)瞬變脈(mo)沖(chong)群的評估與(yu)測量頻譜(pu)分析(xi)
電快(kuai)速瞬變(bian)脈沖群(qun)干擾的嚴酷程度(du)可(ke)以(yi)從頻(pin)譜(pu)幅值(zhi)、頻(pin)譜(pu)寬度(du)、頻(pin)譜(pu)密度(du)、功率譜(pu)等(deng)維度(du)來進(jin)行評估,所以(yi)進(jin)行電快(kuai)速瞬變(bian)脈沖群(qun)問題診斷分析首(shou)先(xian)需要了解電快(kuai)速瞬變(bian)脈沖群(qun)脈沖的能量等(deng)級和頻(pin)譜(pu)分布(bu)。
電快速瞬變(bian)脈沖群的能量(liang)等級和嚴酷程度分析:
電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變(bian)脈沖(chong)群(qun)脈沖(chong)的參數(shu)由基礎標(biao)準IEC61000-4-4定義(yi),EMC測試機構的電(dian)快(kuai)速(su)瞬(shun)變(bian)脈沖(chong)群(qun)發生器校準結(jie)果要符合標(biao)準要求(qiu)從(cong)而保(bao)證測試結(jie)果重復性(xing)和可(ke)靠性(xing)。
電快速瞬(shun)變(bian)脈沖群測量頻譜的(de)分析
電快速(su)瞬(shun)變脈沖群(qun)測試標準發生(sheng)器(qi)和(he)輸出波(bo)形
電快速瞬變脈(mo)沖群(qun)測量(liang)頻譜的分(fen)析
電快(kuai)速瞬變(bian)脈沖(chong)群實際(ji)校準波形(一)
電快速瞬變脈沖群測量頻譜(pu)的分析
電(dian)快速瞬(shun)變脈沖群實際校準波(bo)形(二)
電(dian)快速(su)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)變脈(mo)沖(chong)群(qun)標準中(zhong)的(de)發生器原理(li)構造和標準波形可(ke)(ke)以(yi)看出電(dian)快速(su)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)變脈(mo)沖(chong)群(qun)屬于典型的(de)高電(dian)壓(0-4kV),短時瞬(shun)(shun)(shun)(shun)發(5/50nS),內阻較大(50Ω)且僅采用(yong)共模注入的(de)抗擾度(du)測(ce)試。電(dian)快速(su)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)變脈(mo)沖(chong)群(qun)測(ce)試每秒輸(shu)出250個(ge)脈(mo)沖(chong),單個(ge)脈(mo)沖(chong)能(neng)量集中(zhong)在50納秒以(yi)內,脈(mo)沖(chong)能(neng)量電(dian)快速(su)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)變脈(mo)沖(chong)群(qun)測(ce)量頻譜(pu)的(de)分析可(ke)(ke)以(yi)精確計算也或利用(yong)示波器進行測(ce)量,也可(ke)(ke)以(yi)簡化為(wei)三角形計算:以(yi)2kV為(wei)例,單脈(mo)沖(chong)峰值功率電(dian)快速(su)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)變脈(mo)沖(chong)群(qun)測(ce)量頻譜(pu)的(de)分析
單脈(mo)(mo)沖能(neng)量(liang)為(wei):電快速瞬變脈(mo)(mo)沖群測(ce)量(liang)頻譜的分(fen)析
脈沖群平均能量為:電(dian)快速瞬變脈沖群測(ce)量頻譜的分析
因此電(dian)(dian)快(kuai)速(su)瞬變(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群(qun)是一種瞬態峰值(zhi)功(gong)率很大(da)但脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)能(neng)(neng)量和總能(neng)(neng)量較小(xiao)的(de)(de)干擾(rao)(rao),破(po)壞性不(bu)強,但是并不(bu)意味著電(dian)(dian)快(kuai)速(su)瞬變(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群(qun)干擾(rao)(rao)能(neng)(neng)力(li)弱,電(dian)(dian)快(kuai)速(su)瞬變(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群(qun)的(de)(de)瞬態的(de)(de)干擾(rao)(rao)能(neng)(neng)量,以高(gao)頻(pin)電(dian)(dian)場的(de)(de)形式(shi)發射到電(dian)(dian)磁環境的(de)(de),需(xu)要從(cong)電(dian)(dian)快(kuai)速(su)瞬變(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群(qun)頻(pin)譜(pu)分布(bu),來評(ping)估電(dian)(dian)快(kuai)速(su)瞬變(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群(qun)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)真(zhen)實干擾(rao)(rao)能(neng)(neng)力(li)。
電快(kuai)速瞬變脈沖(chong)群頻(pin)譜的寬(kuan)度分析
注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)號(hao)頻譜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)寬度(du)(du)是抗(kang)(kang)擾(rao)(rao)(rao)度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)試(shi)中非(fei)常重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)參數,EMS抗(kang)(kang)擾(rao)(rao)(rao)度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)試(shi)使(shi)用不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)(ru)測(ce)(ce)(ce)試(shi)方(fang)法來注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)(ru)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)頻譜,如傳導(dao)抗(kang)(kang)擾(rao)(rao)(rao)度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)試(shi)150kHz-80MHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)連(lian)續波適合使(shi)用耦合去(qu)耦網(wang)絡(luo)直接對線(xian)纜(lan)注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)(ru),對于輻(fu)射(she)抗(kang)(kang)擾(rao)(rao)(rao)度(du)(du)測(ce)(ce)(ce)試(shi)對于80MHz以(yi)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)則采(cai)用天線(xian)電(dian)(dian)場注(zhu)(zhu)入(ru)(ru)(ru)。EMS信(xin)號(hao)頻率越高空間耦合能力越強對受(shou)測(ce)(ce)(ce)設備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部影響(xiang)也越大。我們(men)(men)以(yi)80MHz為參考(kao)分界(jie)判斷干(gan)擾(rao)(rao)(rao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)傳輸(shu)路徑(jing),80MHz以(yi)下線(xian)纜(lan)傳輸(shu)穩定,而80MHz以(yi)上空間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發射(she)更復雜,因(yin)此評(ping)估電(dian)(dian)快(kuai)速瞬變脈(mo)(mo)沖群對受(shou)測(ce)(ce)(ce)設備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)干(gan)擾(rao)(rao)(rao)耦合方(fang)式(shi)和強度(du)(du)要(yao)對電(dian)(dian)快(kuai)速瞬變脈(mo)(mo)沖群干(gan)擾(rao)(rao)(rao)頻譜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)幅度(du)(du)和寬度(du)(du)進(jin)行分析(xi),我們(men)(men)可(ke)以(yi)利用脈(mo)(mo)沖波形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)傅里葉變換近似計算(suan)來評(ping)估。
電快(kuai)速瞬變(bian)脈沖(chong)群測(ce)量頻譜的(de)分析
周期信號波形與(yu)頻譜的(de)關系
周期信號波形(xing)與頻譜(pu)的(de)關系我們(men)可(ke)以推導出電快速瞬變脈沖群(qun)(qun)脈沖重復(fu)率5k或者100kHz對低(di)次頻譜(pu)有影(ying)響(xiang),但頻譜(pu)的(de)寬(kuan)度主要由脈沖寬(kuan)度和(he)上升下降時間決定,因此(ci)脈寬(kuan)TH =50nS決定EFT脈沖的(de)頻譜(pu)第一(yi)轉(zhuan)折點電快速瞬變脈沖群(qun)(qun)測量(liang)頻譜(pu)的(de)分析
,上升(sheng)下降時間tr =5nS決(jue)定(ding)第二(er)轉(zhuan)折點(dian)64MHz,計(ji)算500V EFT脈沖在第一轉(zhuan)折點(dian)6.4MHz之前的低次諧波幅值為:電(dian)快速瞬變脈沖群測量頻譜(pu)的分(fen)析
(按三角波近似計算(suan)),因此64MHz為108dBµV(10倍(bei)頻(pin)降低(di)20dB), 640MHz有 68dBµV(10倍(bei)頻(pin)降低(di)40dB)。理論推導出(chu)電快速瞬變脈沖群脈沖的(de)頻(pin)譜非常寬,但我們(men)還需要通過實測來驗證。
電快(kuai)速瞬(shun)變脈沖群(qun)頻譜的實測
對于(yu)電(dian)快(kuai)速瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)頻(pin)譜(pu)的實(shi)測,示波(bo)器量(liang)能(neng)夠測量(liang)電(dian)快(kuai)速瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)脈(mo)沖(chong)(chong)波(bo)形但不能(neng)輸(shu)出(chu)頻(pin)譜(pu),頻(pin)譜(pu)儀能(neng)夠輸(shu)出(chu)頻(pin)譜(pu)但不能(neng)耐受瞬(shun)態(tai)高壓,因(yin)此我們需要利(li)用高壓同軸(zhou)衰減器將電(dian)快(kuai)速瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)信號衰減到一(yi)定程度才能(neng)送入(ru)頻(pin)譜(pu)儀進行(xing)電(dian)快(kuai)速瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)頻(pin)譜(pu)實(shi)測,以下是電(dian)快(kuai)速瞬(shun)變脈(mo)沖(chong)(chong)群(qun)頻(pin)譜(pu)測試布置和衰減器校(xiao)準布置。
電快速瞬(shun)變(bian)脈沖(chong)群頻譜的測量與(yu)衰(shuai)減(jian)器校準
我們利(li)用(yong)20dB 50W衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)器(qi)進行(xing)第一(yi)級(ji)衰(shuai)減(jian)(jian)(jian),利(li)用(yong)20dB 5W衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)器(qi)進行(xing)第二級(ji)衰(shuai)減(jian)(jian)(jian), 500V EFT信號經過40dB衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)(100倍(bei))和(he)50Ω內阻(zu)分壓(ya)之后峰值電壓(ya)為2.5V,可以用(yong)示波器(qi)和(he)頻譜(pu)分析儀直接(jie)測量電快速(su)瞬變脈沖群的時(shi)域(yu)波形和(he)頻譜(pu)波形。圖中兩個衰(shuai)減(jian)(jian)(jian)器(qi)組合的校準系數為-40dB,因此我們需要對頻譜(pu)分析儀得到(dao)的頻譜(pu)進行(xing)40dB補償。
500V EFT衰減40dB后(hou)的測量頻譜
頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)經過40dB的(de)(de)衰減,我們(men)進行(xing)補償之后可(ke)以得到500V電(dian)快速瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)群脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)100kHz的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)低次諧波幅(fu)(fu)值(zhi)為128dBµV,第一轉(zhuan)折點6.4M幅(fu)(fu)值(zhi)118dBµV,第二轉(zhuan)折點64MHz幅(fu)(fu)值(zhi)低20dB,為98dBµV,考慮50Ω的(de)(de)分(fen)壓(ya)6dB,實(shi)測(ce)結果幅(fu)(fu)值(zhi)與(yu)我們(men)的(de)(de)理論分(fen)析值(zhi)接近。更高的(de)(de)電(dian)快速瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)群電(dian)壓(ya)會使(shi)得頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)幅(fu)(fu)值(zhi)相應上升,會使(shi)得64-640MHz輻射(she)(she)頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)段的(de)(de)幅(fu)(fu)值(zhi)相應上升。因此,實(shi)測(ce)結果與(yu)理論分(fen)析都表明電(dian)快速瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)群脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)成(cheng)分(fen)豐富(fu),而(er)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)能量并不依賴沿線(xian)纜傳播還可(ke)以通過空(kong)間直接發(fa)射(she)(she),在電(dian)快速瞬(shun)變脈沖(chong)(chong)(chong)(chong)群測(ce)試并不僅僅是線(xian)纜的(de)(de)共模注(zhu)入(ru)還必(bi)定伴有(you)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)(pin)電(dian)場干擾(rao)。
利用天線對(dui)EFT的電場頻譜和強度(du)進行測量:
對(dui)電快速(su)瞬變(bian)(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群干擾電場(chang)進行(xing)(xing)(xing)實測有利(li)于我們(men)更直觀評估電快速(su)瞬變(bian)(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群的(de)(de)(de)干擾能(neng)力。電快速(su)瞬變(bian)(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群注(zhu)入(ru)可(ke)(ke)以(yi)采用CDN對(dui)50cm長(chang)的(de)(de)(de)電源線纜進行(xing)(xing)(xing)直接注(zhu)入(ru),也可(ke)(ke)以(yi)用容(rong)性耦(ou)(ou)合夾(jia)對(dui)信號(hao)線纜進行(xing)(xing)(xing)耦(ou)(ou)合注(zhu)入(ru),兩種方(fang)式電快速(su)瞬變(bian)(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)都能(neng)產生相應的(de)(de)(de)高頻電場(chang)。這(zhe)里我們(men)采用容(rong)性耦(ou)(ou)合夾(jia)耦(ou)(ou)合來對(dui)電快速(su)瞬變(bian)(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)群的(de)(de)(de)耦(ou)(ou)合能(neng)力和(he)產生的(de)(de)(de)電場(chang)進行(xing)(xing)(xing)評估。
電(dian)快速瞬(shun)變(bian)脈沖群耦合電(dian)場的測量布置和(he)實(shi)測數據
電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)發(fa)(fa)生器通過容性(xing)(xing)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)夾對長(chang)度3米放(fang)置在(zai)0.8米木桌上兩端下垂的(de)(de)金(jin)屬線(xian)纜進行耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he),線(xian)纜輻(fu)射出(chu)的(de)(de)電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)電(dian)場(chang)(chang)(chang)被距(ju)離(li)3米的(de)(de)雙錐天線(xian)接(jie)收(shou)并由EMI接(jie)收(shou)機(ji)測量。右圖是實測500V電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)信號通過標準100p容性(xing)(xing)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)夾耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)能(neng)在(zai)3米距(ju)離(li)30-500MHz頻段(duan)產生最大80dBuV/m的(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)(chang),可(ke)以看出(chu)電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)的(de)(de)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)能(neng)力、干擾(rao)電(dian)場(chang)(chang)(chang)強(qiang)度很(hen)(hen)強(qiang)同時頻譜(pu)范圍很(hen)(hen)寬。電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)實際(ji)測試(shi)中注(zhu)入(ru)(ru)等級更(geng)高EUT距(ju)離(li)更(geng)近因此(ci)電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)電(dian)場(chang)(chang)(chang)干擾(rao)更(geng)強(qiang),因此(ci)很(hen)(hen)多電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)問(wen)題中不但(dan)要考(kao)慮(lv)沿線(xian)纜的(de)(de)注(zhu)入(ru)(ru)還需要考(kao)慮(lv)由于電(dian)纜發(fa)(fa)射而產生的(de)(de)電(dian)場(chang)(chang)(chang)干擾(rao),尤其沒有金(jin)屬屏(ping)蔽的(de)(de)產品需要特別(bie)注(zhu)意電(dian)快(kuai)速(su)(su)瞬(shun)(shun)變(bian)(bian)脈(mo)(mo)(mo)沖(chong)(chong)群(qun)(qun)(qun)電(dian)場(chang)(chang)(chang)對內(nei)部(bu)電(dian)路的(de)(de)直接(jie)干擾(rao)。
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