摘要：電快速瞬變脈沖群（ EFTB）抗擾度試驗作為電磁兼容試驗中的一個(gè)重要組成部分己經(jīng)有20年的歷史，期間，試驗人員從脈沖群試驗沖獲得了許多經(jīng)驗，同時(shí)也發(fā)現了一些不足的地方，尤其是不同發(fā)生器之間、以及一般用戶(hù)與試驗站之間試驗結果的一致性問(wèn)題?，F今，一個(gè)新的國際標準草案已經(jīng)頒布，其中有一些新的規定，相信對解決上述問(wèn)題有非常重要的作用。
關(guān)鍵詞 ：電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗；試驗的一致性
中圖分類(lèi)號： TN912 文獻標識碼： A 文章編號： 1003-0107(2004)08
自從國際上第一個(gè)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗標準 IEC801-4 ： 1984 頒布以來(lái)，受到了國際上的廣泛注意，納入眾多的產(chǎn)品族和產(chǎn)品標準，成為一個(gè)重要的抗干擾測試手段。在我國，現行的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗標準是 GB/T17626.4-1998 ，它對應于國際標準 IEC61000-4-4 ： 1995 。
由于電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗是眾多抗擾度試驗中使用次數最多，同時(shí)也是比較難于通過(guò)的一個(gè)試驗，所以這項試驗也是試驗人員、產(chǎn)品設計人員議論最多的一項試驗。議論的重點(diǎn)是試驗的重復性和可比性較差，往往是企業(yè)自己做的試驗結果與試驗站相距甚遠，對此作者曾專(zhuān)門(mén)著(zhù)文討論這個(gè)問(wèn)題，企業(yè)試驗人員對此反映較好，認為對提高試驗的準確性起到了積極作用。
作者近日通過(guò)對 IEC61000-4-4 標準草案（ FDIS 文件）的閱讀，對電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗有了更新的認識，覺(jué)得新標準草案對脈沖群波形的要求、對校驗信號發(fā)生器的方法、對試驗方法的細節都有了新的規定，作者認為標準草案的這些規定對規范試驗，提高試驗的可比性和重復性很有好處。今將標準草案閱讀中發(fā)現的不同部分整理出來(lái)，并加上作者對它的一些評述，希望對企業(yè)人員理解標準和正確掌握試驗方法能有所幫助。
1- 試驗等級
打開(kāi) IEC61000-4-4 的 1995 年版標準，從及新的標準草案，首先看到的一個(gè)不同點(diǎn)便是試驗等級，分別見(jiàn)表 1 和表 2 所示：
表 1. 1995 年版標準的試驗等級
表 2. 新標準草案的試驗等級
從這兩張表格對比可以看出，新標準草案的嚴酷度要高于原先的標準，主要是試驗頻率有了變化，將原先的 2.5kHz 取消了，一律取 5kHz 和 100kHz 兩種。因此，標準草案所規定的單位時(shí)間內的脈沖密集程度有了增加，這對設備試驗的嚴酷程度是一種增加。
2- 試驗設備
2.1 脈沖群發(fā)生器
在脈沖群發(fā)生器中，原標準與新的標準草案在發(fā)生器組成的主要元件上有一個(gè)明顯區別：原標準講的是火花氣隙（ spark gap ）；新的標準草案講的是高電壓開(kāi)關(guān)（ high voltage switch ）。事實(shí)上，當代的脈沖群發(fā)生器里的脈沖形成器件，無(wú)一例外，都是采用高壓電子開(kāi)關(guān)。這一改變，對提高脈沖群發(fā)生器工作的穩定性，從及提高試驗脈沖的頻率起到了關(guān)鍵的作用。
在 IEC61000-4-4 ： 1995 標準的附錄 A 中，曾經(jīng)有一段文字提到了采用火花氣隙充當脈沖形成器件的弊?。?
“由于火花氣隙在低于 1kV 時(shí)的機械和電氣上的不穩定，所以對低于 2kV 的試驗電壓要通過(guò)分壓器來(lái)得到”。
“脈沖群沖單個(gè)脈沖的重復頻率的實(shí)際值為 10kHz 到 1MHz ，然而廣泛調查的結果表明，采用固定調節火花氣隙的發(fā)生器難以再現這種相對較高的重復頻率，因此標準規定了頻率較低的、有代表性的專(zhuān)用脈沖”。
所以在脈沖群試驗標準制定過(guò)程中，把脈沖頻率定為 2.5kHz 和 5kHz 實(shí)在是有一點(diǎn)不得以而為之的味道。隨著(zhù)脈沖形成器件的更新，特別是高速高壓電子開(kāi)關(guān)的選用，把脈沖頻率提高到 5kHz 和 100kHz 是理所當然的事情，使得脈沖群抗擾度試驗更加切合實(shí)際的干擾情況。
2.2 脈沖群發(fā)生器的特性參數
與原標準相比，在標準草案中對發(fā)生器特性參數規定的最大不同表現為兩點(diǎn)：其一，標準草案給出了兩種不同負載條件下的輸出電壓范圍， 1000 Ω負載的輸出電壓為 0.24kV ～ 3.8kV ； 50 Ω負載的輸出電壓為 0.125V ～ 2kV 。其二，標準草案將在 50 Ω負載上的每個(gè) 2kV 脈沖提供的能量為 4mJ 取消了，代之以脈沖發(fā)生器性能的可比性由下列要求（見(jiàn)表 3 ）加以保證：
表 3. 新標準草案對脈沖群發(fā)生器特性參數的要求
在表 3 中還可以看到一點(diǎn)：脈沖的重復頻率提高并不會(huì )造成對受試設備注入能量的增加，這是因為重復頻率自 5kHz 提高到 100kHz （頻率提高了 20 倍），但脈沖群的持續時(shí)間卻從 15ms 縮減到 0.75ms （持續時(shí)間縮減到原來(lái)的二十分之一），因此注入受試設備的脈沖總量沒(méi)變（仍為 75 個(gè)），注入受試設備的干擾能量也就沒(méi)變，只是單位時(shí)間內的脈沖密集程度有了增加?？紤]到國外專(zhuān)家對脈沖群試驗的故障機理解釋為是干擾脈沖對線(xiàn)路結電容的充電，脈沖頻率越高，單位時(shí)間內的脈沖個(gè)數越多，對結電容的電荷積累也越快，越容易達到線(xiàn)路出錯的閾限。因此，新的標準草案把測試頻率提高，其本質(zhì)上也是將試驗的嚴酷程度有所提高。
2.3 發(fā)生器性能校驗
對發(fā)生器的性能必須進(jìn)行校驗，以便對所有參與做試驗的試驗發(fā)生器的性能建立一個(gè)共同依據。校驗可采用下列步驟：
在試驗發(fā)生器的輸出端依次分別接入 50 Ω和 1k Ω的同軸衰減器，并用示波器加以監測。監測用示波器的－ 3dB 帶寬，以及體現試驗發(fā)生器負載的 50 Ω和 1k Ω的同軸衰減器的頻率響應要求達到 400MHz 以上。其中 50 Ω是試驗發(fā)生器的匹配負載； 1k Ω試驗負載則體現了發(fā)生器的一個(gè)復合負載。不同的試驗發(fā)生器只有在兩種極端的負載條件下?lián)碛邢嗤匦?，才能保證在實(shí)際的抗擾度試驗中有相互可比的試驗結果。
校驗中要測量單個(gè)脈沖的上升時(shí)間、持續時(shí)間和重復頻率；以及脈沖群的持續時(shí)間和重復周期，詳細記錄在案。
在表 4 中，對每一個(gè)設定電壓分別給出了在 50 Ω負載上測得的輸出電壓 V p （ 50 Ω） 以及 1k Ω負載上測得的輸出電壓 V p （ 1k Ω） 。其中 V p （ 50 Ω） 的幅值容差為 0.5V p （開(kāi)路輸出電壓） ± 10% ； V p （ 1k Ω） 的幅值容差為 V p （ 1k Ω） ± 20% 。測量中要保證分布電容為最小。
用于電源線(xiàn)抗擾度試驗的耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )，在原標準與新的標準草案中有一個(gè)最大的不同點(diǎn)，前者是對逐根電源線(xiàn)做共?？垢蓴_試驗；后者是對所有電源線(xiàn)路同時(shí)做共?？垢蓴_試驗。分別見(jiàn)圖 1a 和圖 1b 所示。
對于耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )的性能，新標準草案只從試驗的角度，提出了對特性參數的要求:
為了保證在交流 / 直流電源端口試驗中使用的耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )性能合格，光有上述基本要求是不夠的，還必須對耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )的共模輸出波形進(jìn)行校驗。校驗時(shí)發(fā)生器的輸出電壓設置為 4kV 。發(fā)生器的輸出接耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )的輸入，耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )的輸出接 50 Ω負載，記錄峰值電壓和波形。校驗要在每一條耦合 / 去耦通路上進(jìn)行。測量結果應該是：脈沖的上升時(shí)間為 5ns ± 30% ；脈沖持續時(shí)間對 50 Ω為 50ns ± 30% ，峰值電壓在表 4 要求上± 10 % 。
此外，當被試設備以及電源與網(wǎng)絡(luò )脫開(kāi)時(shí)，在耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )輸入端的殘余試驗脈沖不超過(guò)所施試驗電壓的 10 % 。
標準草案對波形校驗結果一致性的規定是有重要意義的：實(shí)質(zhì)上，只有大體一致的試驗波形才代表試驗波形中的諧波成分及其含量的一致性，只有這樣，才能保證采用不同試驗發(fā)生器時(shí)的試驗結果大體一致。
2.5 電容耦合夾
脈沖群對于 I/O 線(xiàn)、信號線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)抗擾度試驗是通過(guò)電容耦合夾進(jìn)行的（如果前述耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )不適合使用在 ac/dc 電源端口時(shí)，也可采用電容耦合夾的耦合方式來(lái)對 ac/dc 電源端口進(jìn)行試驗）。耦合夾的耦合電容取決于電纜的直徑、材料及電纜的屏蔽情況。
耦合電容典型值為 100pF ～ 1000pF （原標準是 50pF ～ 200pF ）。
3- 試驗配置
3.1 實(shí)驗室型式試驗的配置
關(guān)于實(shí)驗式型式試驗的配置，在原標準與新的標準草案里有兩張非常相似的圖（分別見(jiàn)本文的圖 2a 和圖 2b ）。但當你在仔細觀(guān)察這兩張圖時(shí)，還是能發(fā)現這兩張圖的差別，最大的不同出現在這兩張圖的左側，是關(guān)于臺式設備的試驗配置。
按照新標準草案的配置，無(wú)論是地面安裝設備、臺式設備、以及其他結構形式的設備，都將放置在一塊參考接地板的上方。被試設備與參考接地板之間用 0.1m ± 0.01m 厚的絕緣支撐物隔開(kāi)。新標準草案規定，凡是安裝在天花板上或是墻壁上的設備都按臺式設備來(lái)做試驗。新標準草案還規定，試驗發(fā)生器和耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )也直接放在參考接地板上，并與參考接地板保持低阻抗連接。
新標準草案的這些變化顯得尤其重要：首先將試驗發(fā)生器和耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )直接放置在參考接地板上，并且和參考接地板相連，是因為脈沖群試驗對被試線(xiàn)路進(jìn)行共模試驗，是將干擾加在被試線(xiàn)路與大地之間的試驗，而試驗中的參考接地板就代表了大地。所以將試驗發(fā)
生器和耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )放在參考接地板上是由試驗的性質(zhì)決定的，為了不使脈沖群干擾產(chǎn)生過(guò)多衰減，試驗發(fā)生器、耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )與參考接地板的連接應當是低阻抗的。
新標準草案指出與被試設備連接的所有電纜要放在離地高度為 0.1m 的絕緣支架上。明確這一點(diǎn)也很重要，因為被試設備的連接電纜與參考接地板之間構成了一個(gè)分布電容，不一樣的離地高度，構成的分布電容也是不同的。不同的分布電容，對脈沖群高頻諧波從連接電纜上的逸出情況也將是不一樣的，會(huì )直接影響試驗結果。
新標準草案對臺式設備試驗配置方式的改變，則對臺式設備的試驗嚴酷度以及試驗結果的一致性有了極大提高。按照原標準的試驗配置，臺式設備放在木頭桌子上，試驗發(fā)生器放在參考接地板上（試驗發(fā)生器的接地端子以低阻抗與參考接地板連接），迭加了干擾電壓的電源線(xiàn)則從地面處再伸展到臺式設備的電源輸入端。因此電源線(xiàn)的實(shí)際離地高度要在 80cm 以上，使得電源線(xiàn)相對參考平面的阻抗不能固定（不同的擺放位置有不同的阻抗），而且電源線(xiàn)過(guò)大的高頻阻抗（相對于電源線(xiàn)離開(kāi)參考地平面為 10cm 的布局來(lái)說(shuō)），使得電源線(xiàn)上的脈沖群干擾的高頻成分大量逸出，導致實(shí)際進(jìn)入被試設備的干擾變弱。因此利用原標準和新標準草案提供的試驗配置對同一臺設備做試驗時(shí)，可以得出截然不同的結果。
此外，新標準草案特別指出，在耦合裝置與被試設備之間的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)的長(cháng)度為 0.5m ± 0.05m ，而不是原標準規定的≤ 1m 。很顯然，原標準所給出的長(cháng)度不明確，從 0 ～ 1m 都屬適合范圍，但是不同的線(xiàn)長(cháng)，脈沖群高頻諧波的逸出情況是不同的，被試設備受到的干擾實(shí)際上是遺留在線(xiàn)上的傳導干擾和逸出到空間的輻射干擾的綜合結果。不同的線(xiàn)長(cháng)，被試設備受到的傳導干擾和輻射干擾的比例是不同的，沒(méi)法保證試驗結果的可比性。因此，明確被試線(xiàn)路的長(cháng)度，對試驗結果的可比性、一致性特別重要。
新標準草案還規定，如果制造商提供的不可拆卸的電源電纜的長(cháng)度超過(guò) 0.5m ± 0.05m ，超長(cháng)的電纜應折疊起來(lái)，避免成為一個(gè)扁平線(xiàn)圈，同時(shí)擺放在離參考接地板 0.1m 高的地方。而不是原標準規定的電源電纜超過(guò) 1m 時(shí)，超長(cháng)部分挽成一個(gè)直徑為 0.4m 的扁平線(xiàn)圈，平放在離參考接地板 0.1m 高的地方。顯然新標準草案的提法比較合理，對超長(cháng)線(xiàn)的處理也比較容易。
在新標準草案中首次提出了機架安裝設備的試驗配置（見(jiàn)圖 3 所示），這在原標準中是沒(méi)有過(guò)的。新試驗配置方案的提出，避免了由于試驗人員對標準的理解不一所導致的試驗結果不一。
3.2 設備安裝后的現場(chǎng)試驗配置
設備在安裝現場(chǎng)的試驗配置，包括電源端子和 I/O 以及通信端口上的試驗，在新標準草案與原標準中都保持基本不變。只是經(jīng)軟線(xiàn)和插頭連接到電源的非固定被試設備在脈沖注入的方法及耦合 / 去耦網(wǎng)絡(luò )與被試設備的距離作了與在實(shí)驗室配置相類(lèi)似變更。
4- 試驗方法
關(guān)于試驗計劃中的試驗時(shí)間，在原標準中只寫(xiě)不低于 1 分鐘。而在新標準草案寫(xiě)道，
為了加速試驗，選擇試驗時(shí)間為 1 分鐘。試驗時(shí)間可以分割成 6 個(gè) 10 秒的脈沖群，每次間隔暫停 10 秒鐘。在實(shí)際的環(huán)境中，脈沖群是隨機發(fā)生的獨立事件，故不傾向于將脈沖群與被試設備的信號同步。產(chǎn)品標準的制定委員會(huì )可以選擇其他的試驗持續時(shí)間。
