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浪涌冲击抗扰度测试常见问题对策及整改措施

发布时间:2021-02-25 11:16

浪涌冲击形成的机理
电磁兼容领域所指的浪涌冲击一般来源于开关瞬态和雷击瞬态。
开关瞬态 系统开关瞬态与以下内容有关:
a)主电源系统切换骚扰,例如电容器组的切换;
b)配电系统内在仪器附近的轻微开关动作或者负荷变化;
c)与开关装置有关的谐振电路,如晶闸管;
d)各种系统故障,例如对设备组接地系统的短路和电弧故障。
 雷击瞬态 雷电产生浪涌(冲击)电压的主要原理如下:
a)直接雷击于外部电路(户外) ,注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压;
b)在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流的间接雷击(即云层之间或云层中的雷击或击于附 近物体的雷击,这种雷击产生的磁场) ;
c)附近直接对地放电地雷电入地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径。 当保护装置动作时,电压和电流可能发生迅速变化,并可能耦合到内部电路。
浪涌冲击测试及相关要求
不同的电子、电气产品标准对浪涌(冲击)抗扰度试验的要求是不同的,但这些标准关于浪涌(冲 击)抗扰度试验大多都直接或间接引用 GB/T17626.5-1999 ( IEC 61000-4-5:1995):《电磁兼容 试验和测 量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》这一国家电磁兼容基础标准,并按其中的试验方法进行试验。下面 就简要介绍一下该标准的内容、试验方法及相关要求。
适用范围:
适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时, 对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平 的浪涌(冲击)电压的反应。 该标准不对绝缘物耐高压的能力进行试验。该标准不考虑直击雷。
试验内容
对电气和电子设备的供电电源端口、信号和控制端口在受到浪涌(冲击)干扰时的性能进行评定。
试验目的:
评定设备在遭受到来自电力线和互连线上高能量浪涌(冲击)骚扰时产品的性能。
试验发生器(雷击浪涌发生器
a)信号发生器的特性应尽可能地模拟开关瞬态和雷击瞬态现象;
b)如果干扰源与受试设备的端口在同一线路中,例如在电源网络中(直接耦合),那么信号发生器 在受试设备的端口能够模拟一个低阻抗源;
c)如果干扰源与受试设备的端口不在同一线路中(间接耦合),那么信号发生器能够模拟一个高阻抗源。 对于不同场合使用的产品及产品的不同端口,由于相应的浪涌(冲击)瞬态波形,各不相同,因此 对应的模拟信号发生器的参数也各不相同。

浪涌(冲击)信号电压及电流波形
浪涌(冲击)信号电压及电流波形
例如:对交流电源端口,通常采用的是 1.2/50μs (8/20μs)组合波信号发生器;对电信端口,通常采用 的是 10/700μ s 的符合 CCITT要求的试验信号发生器。浪涌(冲击)波形见上图所示。
试验方法
浪涌(冲击)测试一般应在线进行。测试时,应根据不同的端口选择对应的波形发生器和相应的耦合 /去耦单元,同时也应注意不同状 态下的信号源内阻选择。
4.4.2.6 试验等级及其选择:
试验等级
等级 开路试验电压(± 10%),kV
1 0.5
2 1.0
3 2.0
4 4.0
X 特定
注: X 是一个开放等级,可以在产品要求中加以规定。

试验等级应根据安装情况来选择。对较高等级测试时,试验应满足该表所列的较低等级。对具体的产品来说,试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。  
试验环境
该标准规定的环境条件:
环境温度: 15℃~35℃
相对湿度: 10%~75%RH
大气压力: 86kPa~106kPa
试验布置
下图是交 /直流电源端浪涌(冲击)差模和共模试验配置示意图。
电源端浪涌冲击试验配置差模方式
用于电源端浪涌(冲击)试验配置(差模方式)
电源端浪涌冲击试验配置共模方式
用于电源端浪涌(冲击)试验配置(共模方式)
试验实施
电源、信号和其他功能电量应在其额定的范围内使用,并处于正常的工作状态。 根据要进行试验的 EUT 的端口类型选择相应的试验试验波形发生器和耦合单元及相应的信号源内 阻。使受试设备处于典型工作条件下,根据受试设备端口及其组合,依次对各端口施加冲击电压。每种组合应针对不同脉冲极性进行测试,两次脉冲间隔时间不少于 1min。 对电源端子进行浪涌测试时,应在交流电压波形的正、负峰值和过零点分别施加试验电压。 对电源线和信号线应分别在不同组合的共模和差模状态下施加脉冲冲击。 每种组合状态至少进行 5 次脉冲冲击。 若需满足较高等级的测试要求, 也应同时进行较低等级的测试, 只有两者同时满足, 我们才认为测 试通过。 不同的产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。
试验结果
若电快速速变脉冲群测试通不过,可能产生如下后果:
( 1)引起接口电路器件的击穿损坏。
( 2)造成设备的误动作。
导致浪涌冲击抗扰度试验失败的原因
浪涌脉冲的上升时间较长,脉宽较宽,不含有较高的频率成分,因此对电路的干扰以传导为主。主要体现在过高的差模电压幅度导致输入器件击穿损坏, 或者过高的共模电压导致线路与地之间的绝缘层 击穿。由于器件击穿后阻抗很低,雷击浪涌发生器产生的很大的电流随之使器件过热发生损坏。
对于有较大平滑电容的整流电路,过电流使器件损坏也可能是首先发生的。例如,对开关电源的高 压整流滤波电路而言,浪涌到来时,整流电路和平滑电容提供了很低的阻抗,浪涌发生器输出的很大的 电流流过整流二极管,当整流二极管不能承受这个电流时,就发生过热而烧毁。随着电容的充电,电容 上的电压也会达到很高,有可能导致电容击穿损坏。
通过浪涌抗扰度试验应采取的措施
雷击浪涌试验有共模和差模两种,因此浪涌吸收器件的使用要考虑到与试验的对应情况。为保证使 用效果,浪涌吸收器件要用在进线入口处。由于浪涌吸收过程中的 di/dt 特别大,在器件附近不能有信 号线和电源线经过,以防止因电磁耦合将干扰引入信号和电源线路。此外,浪涌吸收器件的引脚要短; 吸收器件的吸收容量要与浪涌电压和电流的试验等级相匹配。
雷击浪涌试验的最大特点是能量特别大,所以采用普通滤波器和铁氧体磁芯来滤波、吸收的方案基 本无效,必须使用气体放电管、压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管和半导体放电管等专门的浪涌抑制器件才行。
浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同。正常电压下,它的阻抗很高,对电路的工作没有影响,当有很高的浪涌电压加在它上面时,它的阻抗变得很低,将浪涌能量旁 路掉这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间,当浪涌电压出现时,迅速导通,以将电压幅度限 制在一定的值上。
压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管具有不同的伏安特性, 因此浪涌通过它们时发生的变化不同,下图对浪涌通过这三种器件时的变化进行了比较。
浪涌冲击通过不同的抑制器件时的电压波形
浪涌冲击通过不同的抑制器件时的电压波形示意图
压敏电阻
当压敏电阻上的电压超过一定幅度时,电阻的阻值大幅度降低,从而浪涌能量泄放掉。 在浪涌电压 作用下,导通后的压敏电阻上的电压(一般称为钳位电压),等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的 阻值,因此在浪涌电流的峰值处钳位电压达到最高。
( 1)优点:峰值电流承受能力较大,价格低。
( 2)缺点:钳位电压较高(取决于最大浪涌电流),一般可以达到工作电压的 2~ 3 倍,因此电路 必须能承受这么高的浪涌电压。另外,压敏电阻随着受到浪涌冲击次数的增加,漏电流增加。如果在交 流电源线上应用会导致漏电流超过安全规定的现象,严重时,压敏电阻会因过热而爆炸。压敏电阻的其 他缺点还有:响应时间较长,寄生电容较大。
( 3)适用场合:直流电源线、低频信号线,或者与气体放电管串联起来用在交流电源线上。
 瞬态抑制二极管( TVS )
当TVS上的电压超过一定幅度时,器件迅速导通,从而将浪涌能量泄放掉。由于这类器件导通后 阻抗很小,因此它的钳位电压很平坦,并且很接近工作电压。
( 1)优点:响应时间短,钳位电压低(相对于工作电压) 。
( 2)缺点:由于所有功率都耗散在二极管的 PN 结上,因此它所承受的功率值较小,允许流过的 电流较小。一般的 TVS 器件的寄生电容较大,如在高速数据线上使用,要用特制的低电容器件,但是 低电容器件的额定功率往往较小。
( 3)适用场合:浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大,要与其他大功率浪涌抑制器件一同使 用, TVS 作为后级防护。
气体放电管
当气体放电管上的电压超过一定幅度时,器件变为短路状态,阻抗几乎为零。这种导通原理与控制电感性负载的开关触点被击穿的原理相同,只是这里两个触点之间的距离和气体环境是控制好的,可使 击穿电压为一个确定值。气体放电管一旦导通后,它上面的电压会很低。
( 1)优点:承受电流大,寄生电容小。
( 2)缺点:响应时间长。另外,由于维持它导通所需要的电压很低,因此当浪涌电压过后,只要 加在气体放电管上的电压高于维持电压, 它就会保持导通, 在交流场合应用时, 只有当交流电过零点时, 它才会断开,因此会有一定的惯用电流。由于跟随电流的时间较长,会导致放电管触点迅速烧毁,从而 缩短放电管的寿命。
( 3)适用场合:信号线或工作电压低于导通维持电压的直流电源线上(一般低于 10V);与压敏电阻组合起来用在交流电源线上。
气体放电管和压敏电阻组合应用
气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电源线上使用。
气体放电管的问题是它的电流效应。 压 敏电阻的问题是随着受浪涌作用的次数增加交流漏电流增加。 一个实用的方案是将气体放电管与压敏电 阻串联起来使用。 如果同时敏电阻上并联一个电容,浪涌电压到来时, 可以更快地将电压加到气体放电 管上,缩短导通时间。 这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外, 还有一个好处就是可以降低限幅电 压值。在这里可以使用导通电压较低(低于工作电压)的压敏电阻。从而可以降低限幅电压值。 该连接方式对浪涌电压的抑制作用如图所示。
气体放电管和压敏电阻串联使用的效果
气体放电管和压敏电阻串联使用的效果
采用组合式保护方案能发挥不同保护器件的各自特点,从而取得最好的保护效果。浪涌经过压敏电阻和气体放电管后,会残留一个较窄的脉冲,这是由于气体放电管导通点较高所致。由于这个脉冲较窄,因此很容易用低通滤波器滤除。实用的浪涌防护电路是在浪涌抑制器的后面加低通 滤波器。
地线反弹的抑制
当并联型的浪涌抑制器发挥作用时,它将浪涌能量旁路到地线上。由于地线都是有一定阻的,因此,当电流流过地线时,地线上会有电压。这种现象一般称为地线反弹。地线反弹对设备的影响如下:
( 1)浪涌抑制器的地与设备的地不在同一点,设备的线路实际上没有受到保护,较高的浪源电压 仍然加到了设备的电源线与地之间。 解决办法是在线路与设备的外壳 (地)之间再并联一只浪涌抑制器。
( 2)浪涌抑制器的地与设备的地在同一点,这时,该台设备的线路与地之间没有浪涌电压,受到了保护,但是如果这个设备与其他设备连接在一起,另一台设备就要承受共模电压。这个共模电压会出现在所有连接设备1与设备2的电缆上。解决的方法是在互连电缆的设备2一端安装浪涌抑制器。
浪涌抑制器件的正确使用
需要注意的是,浪涌抑制器件的寿命不是永久的,总会失效。因此,在结构设计上,应该便于更换 浪涌抑制器件。并且,当浪涌抑制器件失效时,应该有明显的显示,提醒维护人员进行更换。浪涌抑制器件的失效模式一般为短路,这可以称为安全模式。因为当浪涌抑制器短路时,线路会出现故障,从而 提醒维修人员更换浪涌抑制器。但是,也有开路失效模式的可能性,这时往往会给设备带来潜在危险,因为设备会直接处于没有保护的状态下。
雷击浪涌发生器
长沙容测电子有限公司致力于电磁兼容测试设备的研发以及电磁兼容测试技术的推广普及,全力为客户提供专业的EMC测试产品和解决方案。emc测试设备主要有:军工emc测试设备,48V汽车电子可编程电源,汽车电气性能测试设备,BCI大电流注入,新能源汽车emc测试设备,脉冲群发生器,雷击浪涌发生器,射频传导抗扰度测试系统,工频磁场发生器,阻尼振荡波测试仪,静电放电发生器,电压跌落发生器等。

 

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