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1、2006-3-8,钱振宇,1,浪涌抗扰度试验 钱振宇,2006-3-8,钱振宇,2,内容提要 浪涌抗扰度试验是许多重要的抗扰度试验标准中的一种。但在标准的执行中也出现了试验结果的不一致性，究其原因，有发生器的问题，也有耦合/去耦网络和试验方法的问题。本文将介绍国际浪涌抗扰度试验标准在这些方面的最新进展。,2006-3-8,钱振宇,3,浪涌抗扰度试验的国际标准是IEC61000-4-5:1995，与之对应的国家标准是GB/T17626.5-1999，属基础性的电磁兼容标准。凡在产品标准中涉及雷击浪涌抗扰度试验的，均按这两个标准所提供的方法进行。 但自从浪涌抗扰度试验标准发布以来，在执行过程中也曾
2、发现过一些问题，如波形的校验，特别是带了耦合/去耦网络之后的波形校验问题；以及在高速数据线路上的浪涌波耦合问题等等。为此，国际上也陆续出现了一些修订该项标准的意见。本文根据最近一次得到的标准修订稿（2004年版，CDV文件），介绍浪涌抗扰度试验标准化的最近动态，希望引起业内人士的兴趣。,2006-3-8,钱振宇,4,1. 综合波发生器 1.1 综合波发生器的由来 能在同一台发生器中产生1.2/50s的浪涌电压波（发生器输出为开路）和8/20s的浪涌电流波（发生器输出为短路），发生器的等效输出阻抗为2。发生器的输出阻抗决定了开路输出电压峰值与短路电流峰值的比值。由于是在同一个发生器里产生符合标准
3、要求的电压和电流两个波形，标准把这个发生器称为综合波发生器。 图1 综合波发生器的电原理图,2006-3-8,钱振宇,5,电压和电流波形的定义方法和要求 ： 图2 综合波的电压和电流波形定义,2006-3-8,钱振宇,6,综合波发生器中电压和电流波形是被试品输入阻抗的函数。当浪涌信号加到被试品上，由于被试品中安装的保护器件动作，或者被试品输入端产生飞弧和击穿，使得被试品输入端的阻抗可能产生变化，为了评价被试品的性能，确保综合波发生器所特有的1.2/50s电压波和8/20s电流波是必须的。此外，标准规定开路输出电压波和短路输出电流波的幅度误差均为10%。以上这些这是对综合波发生器的考核依据。,2
4、006-3-8,钱振宇,7,1.2 用于交/直流电源线的耦合/去耦网络 耦合/去耦网络中的耦合部分用来将综合波发生器的浪涌信号传送到被试品的交/直流电源线上，进而进入被试品的电源部分。去耦部分则用来防止施加在被试品上的浪涌信号进入电网，影响电网中的其他用电设备的工作。 从图3和图4图可见，耦合/去耦网络的额定参数是：耦合电容C为18F（用于差模试验）或9F（另外再串联10的电阻，用于共模试验）；去耦电感L为1.5mH。 图3 差模试验配置 图4 共模试验配置,2006-3-8,钱振宇,8,关于耦合/去耦网络置入后对波形发生器的影响，在IEC61000-4-5：1995标准的6.3.1节中指出：
5、“除了浪涌发生器本身的输出外，还有耦合/去耦网络的输出，其所有波形的定义以及试验发生器的其他参数均由6.1.1节来规定”。在同一标准的6.1.1节中又指出：“对于专门的试验条件应包括附加的电阻（10或40）以增加要求的等效源阻抗”。“这时和耦合/去耦网络相连的开路电压波和短路电流波不再是1.2/50s和8/20s（综合波）波形了”。在该标准6.3.1节的注释中进一步指出：“当信号发生器阻抗根据配置要求从2增加到12或42时，耦合网络输出的试验脉冲持续时间可能会明显变化”。,2006-3-8,钱振宇,9,对于耦合/去耦网络的去耦性能，在IEC61000-4-5：1995标准中只提到：“当被试品没
6、有与去耦网络连接时，在未加浪涌线路上的残余浪涌电压不应超过最大所施加电压的15%”。“当被试品、供电网络未与耦合/去耦网络连接时，在去耦网络电源输入端上的残余浪涌电压不应超过所施加电压的15%，或电源电压峰值的两倍，两者中取大者”。标准的这两段话实际上是浪涌试验设备制造商对去耦电容选择的依据（标准没有规定共模和差模电容的实际值）。,2006-3-8,钱振宇,10,1.3 对波形的校验问题 从对综合波发生器及耦合/去耦网络的叙述，可得出如下结论：1.标准对发生器的输出波形有明确规定，开路状态下的电压波为1.2/50s；短路状态下的电流波为8/20s。通过发生器的内阻将电压波峰值与电流波峰值联系起
7、来，发生器内阻为2。2.由于耦合/去耦网络的参入，特别是在耦合电容支路中串联电阻后（如按图4要求进行共模试验），在耦合/去耦网络输出端的波形会有明显变化。 事实上，标准还是忽略了耦合电容担负的隔直电容的作用，以及它对耦合/去耦网络输出端波形的影响（因为标准从来没有确切提到在耦合/去耦网络输出端波形参数的允许范围）。从图1的综合波发生器简图可以看出，它的开路电压波和短路电流波都是通过储能电容CC直接对电阻和电感放电来形成的，所以波形中必然含有直流分量。而耦合电容的隔直作用却阻止了直流分量的通过，因此在耦合/去耦网络输出端的波形（相对于发生器的直接输出波形）发生变化是肯定的，只是在耦合电容支路中串
8、进电阻以后的波形变化更加明显。,2006-3-8,钱振宇,11,1.4 综合波经过耦合/去耦网络后对输出波形的新规定 就发生器和耦合/去耦网络来说，在标准修订稿中最关键的一点是提出了要在耦合/去耦网络的受试设备端口上来校验电压和电流波形（包括波形的前沿和半峰值持续时间）。这时在发生器的输出端（注意，不是在耦合/去耦网络的输出端上）可以有30%的负冲。试验时，浪涌发生器的输出和耦合网络的输出端子要接到有足够带宽、且有足够电压容量的测量系统去，以便监视开路电压的波形。在AC.和DC.电源线配置的耦合/去耦网络输出端的开路电压波形与耦合模式（线-线或线-地）有关。上述耦合电路的参数是：线-线（差模试
9、验）为18F；线-地（共模试验）为9F10。 去耦电感由模拟发生器的制造商选择，但在额定电流下，耦合/去耦网络在被试设备端口处的电源压降应小于10%。同时，去耦电感的值不应超过1.5mH。,2006-3-8,钱振宇,12,为了避免在耦合/去耦网络上有不希望产生的电压降落现象出现，当电流25A时，耦合/去耦网络中的去耦元件（去耦电感）的值要适当减小，因此，开路电压波形的半峰值时间允许按照表1和表2中所规定的参数进行变化： 表1. 在耦合/去耦网络的被试设备端口处的电压波形 浪涌电压波形的参数是在耦合/去耦网络电源端口为开路的情况下测试的。 表2. 在耦合/去耦网络的被试设备端口处的电流波,200
10、6-3-8,钱振宇,13,在标准修订稿中提出上述内容是非常重要的：当耦合/去耦网络与发生器配合使用时，耦合/去耦网络在一定程度上也成了发生器的负载。由于发生器产生的波形相对缓慢，电压波为1.2s / 50s，电流波为8s / 20s，意味着这些波形所包含的谐波成分不算太高，因此，去耦网络中由电感形成的感抗值也有限，这必然使耦合/去耦网络成为发生器负载中不可忽视的部分，而且这个负载将同时参与综合波中的电压和电流波形的形成。很显然，这与单独由发生器去形成电压波和电流波是完全不同的概念，因此，在耦合/去耦网络的被试设备端口处的波形发生变化是不可避免的。草案中表1和表2给出了波形变化的允许范围，这实际
11、规范了不同品牌仪器在制作上的误差；同时也增加浪涌试验时试验结果的可比性和重复性。 值得一提的是，标准修订稿对于耦合/去耦网络电源输入端的残余电压，以及未加浪涌这几条线路的串扰电压的要求没有发生变化。 总之，标准修订稿中的这些内容对仪器制造商和仪器的操作人员来说都是至关重要的，它增加了IEC61000-4-5标准的可操作性。,2006-3-8,钱振宇,14,2. 10/700s发生器 对于10/700s发生器的描述，修订稿除了与IEC61000-4-5：1995标准一样，对开路输出电流的波形参数有要求外（见表3），还首次提出了对开路输出电压与短路输出电流关系的要求，见表4，从数据不难看出，电压与
12、电流参数之比，实质上还是体现了发生器的内阻问题（40）。 表3 10/700s发生器的波形参数（表中定义对IEC 61000-4-5标准均适用） 表4 峰值开路电压与峰值短路电流之间的关系,2006-3-8,钱振宇,15,3. 用于通信线路和I/O线路试验的耦合/去耦网络 事实上标准修订稿与IEC 61000-4-5：1995标准还有一个比较大的不同点，主要就体现在对通信线路和I/O线路的耦合/去耦网络上。 去耦网络的串联阻抗常常成为限制数据传输有效带宽的主要因素。对于能够容忍容性负载的场合，担当耦合的元件可以是电容，否则可以采用箝位元件或放电管来担当（见本文3.1.2和3.1.3）。顺便指出
13、，当浪涌波耦合到被试线路之后，由于耦合电路本身的耦合机理，波形会有一定程度的畸变。,2006-3-8,钱振宇,16,3.1 用在互连线试验上的耦合/去耦网络 耦合方式应根据被试电路的功能和运行情况来加以选择，具体的选择应当在产品的技术条件或产品标准中作出规定。 对于电容耦合不能使用的场合（例如是因为功能方面的问题；或者是耦合电容对互连线所起的负载作用），应当采用放电管来作为耦合电路。 采用电容耦合的耦合/去耦网络，与采用放电管耦合的耦合/去耦网络，可以有不同的试验结果。究经选用何种耦合方式，由产品标准规定，但在试验报告中应当加以记录。 此外，如果信号线是对称的，则在去耦网络中可以使用电流补偿电
14、感。,2006-3-8,钱振宇,17,3.1.1 使用电容器的耦合/去耦网络 对于非屏蔽的不对称I/O线路，当耦合电容对该线路的功能没有影响时，可以采用此法。 耦合线路见图5所示。线路中的去耦电路为R40，C0.5F；去耦电感L20mH。 共模试验时S1接0；差模试验时S1接14。S2在试验时接14，但与S1不在同一位置 图5 用于非屏蔽不对称I/O线路的电容器耦合/去耦网络,综合波发生器,耦合/去耦网络,辅助 设备,保护 设备,2006-3-8,钱振宇,18,3.1.2 使用箝位元件的耦合/去耦网络 当耦合电容会对线路的功能造成影响时，电容器就不能使用了，而应采用图6推荐的方法（用箝位元件代
15、替了图5中的耦合电容） 。图中这些寄生电容很小的箝位元件，将能用到许多I/O线路上。要注意，箝位元件的箝位电压必须足够低（刚刚大于被试线路的最大工作电压）。 耦合/去耦网络中的参数是：耦合电路的阻抗为R40，再加上所选箝位元件本身的阻抗；去耦电感L20mH。 在试品处的脉冲波形取决于脉冲幅度、箝位元件本身的特性，故无法规定波形的值及其容差。,共模试验时S1接0；差模试验时S1接14。S2在试验时接14，但与S1不在同一位置 图6 用于非屏蔽不对称I/O线路经由箝位元件耦合的耦合/去耦网络,综合波发生器,耦合/去耦网络,辅助 设备,保护 设备,2006-3-8,钱振宇,19,3.1.3 使用硅雪
16、崩元件和气体放电管的耦合/去耦网络 另一个替代电容耦合线路的方案见图7，（电容器因对线路功能会造成影响，不能使用） 。由于硅雪崩元件或气体放电管只有很小的寄生电容，所以这一线路可以用到大多数I/O线路上去。考虑到气体放电管的着火电压很高，该线路只能用在要求耦合的浪涌为极强情况下。图中放电管的工作电压要选得尽量低一点，但要大于被试线路的最大工作电压。 耦合/去耦网络中的参数是：耦合电路的阻抗为R40，再加上所选放电管（充气的，或固体的）的阻抗；去耦电感L20mH。 在试品处的脉冲波形取决于脉冲的幅度，及雪崩元件本身的特性，所以无法规定波形的值及容差。,综合波发生器,共模试验时S1接0；差模试验时S1接14。S2在试验时接14，但与S1不在同一位置 图7 用于非屏蔽不对称I/O线路经由气体放电管耦合的电容,耦合/去耦网络,辅助 设备,保护 设备,2006-3-8,钱振宇,20,3.2 在对称线路上采用放电管的耦合/去耦网络 对非屏蔽的对称线路（通
