分析浪涌互连线端口测试

浪涌抗扰度试验是电磁兼容试验的重要组成部分,基本上所有的电子设备(系统)都需要进行浪涌抗扰度试验。而在浪涌抗扰度试验中,互连线(I/O线和通信线)上的浪涌测试是很多相关设备必不可少的测试项目。

1浪涌试验介绍

浪涌测试作为EMC(电磁兼容)抗扰度测试的一个重要项目,主要是测试待测设备在实际使用过程中受到浪涌电压的冲击后损坏和设备性能下降的程度。浪涌电压干扰可以由自然界的雷击、设备电源系统的电路变化、或其他一些意外事件(如电线杆意外被车撞倒导致的电压剧烈变化)所产生。其中自然界的雷击是众多原因中最为主要的,而雷击又是自然界一个极为普通的物理现象。因此,浪涌电压干扰是一项频繁出现的,而且会对设备产生严重影响的干扰。浪涌电压干扰的干扰方式主要有两种。第一种方式经过用电设备的供电系统将浪涌干扰施加在设备上,这个方式也是浪涌干扰最为主要的干扰途径,它可以干扰到所有的连接到电源系统的用电设备。第二种方式是通过设备的电话线、电缆或天线等与室外环境有直接或间接相连的互连线缆,将干扰信号施加在设备上。浪涌抗扰度测试就是一项为了检测设备在遇到这些浪涌干扰信号时的工作情况而进行的测试,也就是使浪涌干扰信号通过上述两种方法来干扰待测设备。标准IEC61000-4-5就是为了标准化浪涌抗扰度测试而制定的,该项标准规定了设备的浪涌抗扰度测试方法及其测试等级。标准中根据雷击干扰的两种不同途径分别给出了测试规范。本文对浪涌干扰通过互连线发生作用的情况进行探讨。标准IEC61000-4-5:2005中描述了两种不同的波形发生器,一种是雷击在电源线上感应产生的1.2/50μs混合波发生器;另一种是针对互连线的浪涌波形发生器—10/700μs混合波发生器。互联线浪涌测试中常常用到的是第二种发生器,图1、图2、图3给出了10/700μs混合波

2.发生器的线路简图及其在开路电压和短路电路情况下的波形定义。Rs=50Ω,Cs=0.2μF。发生器提供电压和电流两种波形,其开路电压波形前沿为10μs±30%,半峰值时间为700μs±20%;其短路电流波形前沿为5μs±20%,半峰值时间为320μs±20%。对于非屏蔽不对称互连线,例如RS232互连线,应优先采取电容耦合。对于电容耦合不能使用的场合(例如电容连接到EUT会引起功能方面的问题),应当采用箝位耦合方式和气体放电管耦合方式。对于非屏蔽对称互连线,例如RS422互连线以及RJ45互连线(网线),则在去耦网络中可以使用电流补偿电感。耦合电容会对线路的功能造成影响,电容器就不能使用了,而采用相应的箝位耦合方式和气体放电管耦合方式。当线路有较高的信号传输速率(大于100kHz)时,由于物理结构的原因,大多数耦合/去耦网络在频率达到时是受到限制的,在这种情况下,将没有合适的耦合/去耦网络可供商业应用。此时,卸掉通信线,对于某些特定样品,可以考虑在其内部关断或松开通信端口,不经过耦合/去耦网络,而将浪涌直接加到通信端口上。在这个试验中,被测设备的功能应当保持,在浪涌试验结束后,再重新测试该端口的功能。对于屏蔽线进行试验,这种耦合/去耦网络将不再适用,这时可依照接地情况分为两种。当待测样品互连线两端都有接地时,则直接将浪涌信号直接施加在它的屏蔽层上;如果待测样品互连线只有一端接地,则浪涌施加在待测样品的测试端口,适用于使用单层或多层屏蔽电缆的设备。对于没有金属外壳的待测样品则浪涌信号直接施加在屏蔽线外壳上。

3浪涌抗扰度试验实际测试相关问题的分析

(1)互连线浪涌测试中共模与差模的选择一般由于被测产品的多样性,不同版本的标准对于互连线浪涌测试的差模与共模要求也不同。以ITE产品的抗扰度标准EN55024:2003为例,标准中对于互连线浪涌测试,只进行线-地端口的测试,也就是只进行共模实验,而对于线-线间(差模)的浪涌测试是不作要求的,而且该标准要求的浪涌发生器波形也是电源端浪涌发生器的1.2/50μs混合波发生器,而在EN55024:2010中,对于互连线的浪涌测试不仅要求进行线-地端口的测试,而是其在备注e中明确规定应同时进行所有线-地的测试【原文如下:“Testappliedtoalllinessimultaneouslytoearth(ground).”】。在实际测试配置中,虽然在EN61000-4-5中给出的测试配置可以适用于共模与差模的浪涌测试,但在实际测试过程中互连线的共模与差模浪涌抗扰的连接方法还是有所不同的。在实际的试验配置中,互连线的共模浪涌试验会完全依照标准进行,而在差模浪涌试验配置中,则一般会选择以其中一条互连线作为浪涌干扰输出线,而差模的另外一条线会被选作浪涌干扰信号的回路。(2)互连线浪涌测试中各条互连线上的阻抗设置在互连线浪涌的实际测试过程中,选择适合的串联电阻对试验的结果有极其重要的影响,而往往在测试中,串联阻抗的选择会存在较多的问题。以HAEFLY的PSURGE8000浪涌测试系统为例。当使用1.2/50μs混合波发生器作为互连线浪涌发生器时,发生器简易图如图5所示,由于发生器内阻为2Ω,发生器内部没有串联电阻,所以在选择耦合网络的时候就要选择串联电阻R=40Ω的耦合网络。而在试验中,还要根据测试线缆的条数,选择线缆上的电阻,根据浪涌波形发生器的原理,串联电阻40Ω是所有线缆的电阻R并联之后所等同的阻抗值,也就是说在进行2线浪涌时,每条线缆上阻抗R应选择80Ω,这样在所有线缆阻抗并联之后的阻抗值就是40Ω,同样可得4线是阻抗R选择为160Ω。当使用10/700μs混合波发生器作为互连线浪涌发生器时,发生器简易图如图6所示,由于发生器内阻阻抗已经串联了一个R2=15Ω电阻,所以在选择外边阻抗R时,需要使外边阻抗为25Ω,即当进行2线浪涌时,每条线缆上阻抗R应选择50Ω,当进行4线浪涌时,每条线缆上阻抗R应选择100Ω。(3)互连线浪涌测试设备布置中关于参考接地板的使用参考接地板(GRP)的使用。在标准EN61000-4-5标准中,只针对发生器的选择以及耦合/去耦网络的选择进行了相应的描述,而其对浪涌测试的一个典型的测试配置没有做出明确的要求。在该标准中,给出在高频工作的情况(通常是采用气体放电管来进行耦合),以及随后用来对屏蔽线进行试验时,要求测试设备放置在参考接地板之上10cm,但是对除此情况以外的测试配置没有做出详细要求。但是在测试配置时,应考虑实际工作情况以及试验中对于参考接地板的要求,所以在浪涌测试过程中都应将待测设备放置在参考接地板上10cm的绝缘垫块上。