EFT的頻譜測量與通用診斷分析方法

電快速瞬變脈沖群（EFT）抗擾度是一種通用性強、測試方便、能高效暴露風(fēng)險的EMS測試項目——通過模擬電網(wǎng)拉弧產(chǎn)生的一系列快速高壓尖峰脈沖來評估產(chǎn)品對瞬態(tài)高壓耐受能力同時暴露產(chǎn)品對瞬態(tài)射頻電場的耐受風(fēng)險。本文對EFT脈沖的能量和頻譜進行了分析和實測，對EFT耦合產(chǎn)生的電場進行了評估，對工程中較為實用的近場探頭電場注入、直接注入進行了介紹，并推薦利用波形發(fā)生器模擬EFT脈沖直接注入的診斷分析方法和EFT防護器件的實測方法供大家在EMC開發(fā)中參考。

一、 EFT的評估與頻譜測量

干擾脈沖的嚴(yán)酷程度可以從頻譜幅值、頻譜寬度、頻譜密度、功率譜等維度來進行評估，所以進行EFT問題診斷分析首先需要了解EFT脈沖的能量等級和頻譜分布。

1.1 EFT的能量等級和嚴(yán)酷程度分析

EFT脈沖的參數(shù)由基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4定義，EMC測試機構(gòu)的EFT發(fā)生器校準(zhǔn)結(jié)果要符合標(biāo)準(zhǔn)要求從而保證測試結(jié)果重復(fù)性和可靠性。

圖1 EFT標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器和波形

圖2 EFT實際校準(zhǔn)波形

從圖1 EFT標(biāo)準(zhǔn)中的發(fā)生器原理構(gòu)造和EFT標(biāo)準(zhǔn)波形可以看出EFT屬于典型的高電壓（0-4kV），短時瞬發(fā)(5/50nS)，內(nèi)阻較大(50Ω)且僅采用共模注入的抗擾度測試。EFT測試每秒輸出250個脈沖，單個脈沖能量集中在50納秒以內(nèi)，脈沖能量可以精確計算也或利用示波器進行測量，也可以簡化為三角形計算：以2kV為例，單脈沖峰值功率； 單脈沖能量；脈沖群平均能量為：。因此EFT是一種瞬態(tài)峰值功率很大但脈沖能量和總能量較小的干擾，破壞性不強，但是并不意味著EFT干擾能力弱，EFT的瞬態(tài)的干擾能量以高頻電場的形式發(fā)射到電磁環(huán)境的，需要從EFT頻譜分布來評估EFT脈沖真實干擾能力。

1.2 EFT頻譜的寬度分析

注入信號頻譜的寬度是抗擾度測試中非常重要的參數(shù)，EMS抗擾度測試使用不同的注入測試方法來注入不同的干擾頻譜，如傳導(dǎo)抗擾度測試150kHz-80MHz的連續(xù)波適合使用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)直接對線纜注入，對于輻射抗擾度測試對于80MHz以上的信號則采用天線電場注入。EMS信號頻率越高空間耦合能力越強對受測設(shè)備的內(nèi)部影響也越大。我們以80MHz為參考分界判斷干擾的的主要傳輸路徑，80MHz以下線纜傳輸穩(wěn)定，而80MHz以上空間的發(fā)射更復(fù)雜，因此評估EFT對受測設(shè)備的干擾耦合方式和強度要對EFT干擾頻譜的幅度和寬度進行分析，我們可以利用脈沖波形的傅里葉變換近似計算來評估。

圖3 周期信號波形與頻譜的關(guān)系

由圖3周期信號波形與頻譜的關(guān)系我們可以推導(dǎo)出EFT脈沖重復(fù)率5k或者100kHz對低次頻譜有影響，但頻譜的寬度主要由脈沖寬度和上升下降時間決定，因此脈寬TH =50nS決定EFT脈沖的頻譜第一轉(zhuǎn)折點，上升下降時間tr =5nS決定第二轉(zhuǎn)折點64MHz，計算500V EFT脈沖在第一轉(zhuǎn)折點6.4MHz之前的低次諧波幅值為：（按三角波近似計算），因此64MHz為108dBμV（10倍頻降低20dB）, 640MHz有 68dBμV（10倍頻降低40dB）。理論推導(dǎo)出EFT脈沖的頻譜非常寬，但我們還需要通過實測來驗證。

1.3 EFT頻譜的實測

對于EFT頻譜的實測，示波器量能夠測量EFT脈沖波形但不能輸出頻譜，頻譜儀能夠輸出頻譜但不能耐受瞬態(tài)高壓，因此我們需要利用高壓同軸衰減器將EFT信號衰減到一定程度才能送入頻譜儀進行EFT頻譜實測，以下是EFT頻譜測試布置和衰減器校準(zhǔn)布置。

圖4 EFT的頻譜測量與衰減器校準(zhǔn)

圖4的左圖我們利用20dB 50W衰減器進行第一級衰減，利用20dB 5W衰減器進行第二級衰減， 500V EFT信號經(jīng)過40dB衰減（100倍）和50Ω內(nèi)阻分壓之后峰值電壓為2.5V，可以用示波器和頻譜分析儀直接測量EFT的時域波形和頻譜波形。圖4的右圖中兩個衰減器組合的校準(zhǔn)系數(shù)為-40dB，因此我們需要對頻譜分析儀得到的頻譜進行40dB補償。

圖5 500V EFT衰減40dB后的測量頻譜

圖5的頻譜經(jīng)過40dB的衰減，我們進行補償之后可以得到500V EFT脈沖100kHz的頻譜低次諧波幅值為128dBμV，第一轉(zhuǎn)折點6.4M幅值118dBμV，第二轉(zhuǎn)折點64MHz幅值低20dB，為98dBμV, 考慮50Ω的分壓6dB，實測結(jié)果幅值與我們的理論分析值接近。更高的EFT電壓會使得頻譜幅值相應(yīng)上升，會使得64-640MHz輻射頻段的幅值相應(yīng)上升。因此實測結(jié)果與理論分析都表明EFT脈沖高頻成分豐富，而高頻能量并不依賴沿線纜傳播還可以通過空間直接發(fā)射，因此在EFT測試并不僅僅是線纜的共模注入還必定伴有高頻電場干擾。

1.4 利用天線對EFT的電場頻譜和強度進行測量

對EFT干擾電場進行實測有利于我們更直觀評估EFT的干擾能力。EFT注入可以采用CDN對50cm長的電源線纜進行直接注入，也可以用容性耦合夾對信號線纜進行耦合注入，兩種方式EFT脈沖都能產(chǎn)生相應(yīng)的高頻電場。這里我們采用容性耦合夾耦合來對EFT的耦合能力和產(chǎn)生的電場進行評估。

圖6 EFT耦合電場的測量布置和實測數(shù)據(jù)

如上圖6左圖所示，EFT脈沖發(fā)生器通過容性耦合夾對長度3米放置在0.8米木桌上兩端下垂的金屬線纜進行耦合，線纜輻射出的EFT電場被距離3米的雙錐天線接收并由EMI接收機測量。圖6右圖是實測500V ETF信號通過標(biāo)準(zhǔn)100p容性耦合夾耦合能在3米距離30-500MHz頻段產(chǎn)生最大80dBuV/m的電場，可以看出EFT的耦合能力、干擾電場強度很強同時頻譜范圍很寬。EFT實際測試中注入等級更高EUT距離更近因此EFT電場干擾更強，因此很多EFT問題中不但要考慮沿線纜的注入還需要考慮由于電纜發(fā)射而產(chǎn)生的電場干擾，尤其沒有金屬屏蔽的產(chǎn)品需要特別注意EFT電場對內(nèi)部電路的直接干擾。

二、 EFT問題的診斷分析方法

通過對EFT的脈沖能量、頻譜、耦合能力、電場強度的分析和測試我們可以知道EFT干擾主要分沿線纜傳導(dǎo)的共模干擾和通過線纜產(chǎn)生的電場直接耦合兩種方式。大部分的EFT問題是第一類的干擾，可以通過優(yōu)化濾波的方式進行處理，如修改濾波器參數(shù)，優(yōu)化走線位置或增加線纜磁環(huán)等方法在測試現(xiàn)場快速進行優(yōu)化和處理，第二類干擾問題出現(xiàn)較少但是分析難度卻是最大的，EFT電場對內(nèi)部敏感電路產(chǎn)生干擾在缺乏分析工具輔助的情況下很難快速有效解決。

復(fù)雜的EFT干擾問題的診斷分析依賴于干擾敏感點的定位，因此將EFT信號施加到PCB近場通過復(fù)現(xiàn)干擾現(xiàn)象來定位特定電路點是解決EFT問題的關(guān)鍵。目前行業(yè)內(nèi)常利用EFT發(fā)生器或EFT模擬源配合近場探頭進行電磁場注入進行診斷分析，由于探頭不接觸電路因此相對安全，但探頭的特性對近場電場強度和頻譜有很大影響并不能確保復(fù)現(xiàn)問題，因此另外一類直接注入的方法也被開發(fā)用于EFT問題的診斷分析。直接注入的方法可以利用EFT發(fā)生器配合衰減器進行直接注入，也可以利用波形發(fā)生器進行模擬EFT頻譜進行直接注入，在PCB板級EFT問題的診斷分析上很大的優(yōu)勢。

2.1利用近場探頭進行近場注入

當(dāng)實驗室EFT測試現(xiàn)場出現(xiàn)EFT問題時，可以采用EFT發(fā)生器配合高衰減的近場探頭進行近場注入這種簡便方法來快速探測薄弱點，在很多情況下可以快速診斷分析問題。這種應(yīng)用下并不需要對探頭的耦合能力和注入電場強度進行控制，只需要提高EFT注入電壓來確保近場注入復(fù)現(xiàn)問題，但如果需要深入擴展這個方法的應(yīng)用就需要對探頭的耦合能力和實際注入的頻譜范圍和場強等級進行測量。

圖7 利用近場探頭注入和注入頻譜結(jié)果

圖7左圖是利用一組相同的高阻近場探頭來進行EFT注入同時進行頻譜測量，右圖可以看出500V的注入得到了約40dBuV的電壓頻譜信號，頻譜寬度和包絡(luò)與預(yù)期相符。通過測量探頭的衰減系數(shù)，我們就能補償系數(shù)從而得到探頭實際注入的電場強度。

圖8 近場探頭的耦合系數(shù)校準(zhǔn)和耦合系數(shù)

圖8左圖是利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對該組近場探頭耦合系數(shù)進行校準(zhǔn)的測試布置，右圖是實際S21測試數(shù)據(jù)，該對數(shù)差值除2即為單個探頭的耦合系數(shù)。以10MHz為例，探頭系數(shù)為30dB（60/2），頻譜讀值35dBuV, 表明該探頭能夠?qū)?00V EFT脈沖注入到接觸點的電路中耦合出65dBuV干擾電壓。為保護 EFT發(fā)生器，近場注入探頭需要采用高阻電場探頭，不建議接入未知阻抗的探頭，但是50Ω的同軸衰減器可以直接匹配EFT輸出，因此可以利用同軸衰減這種方法進行注入。

2.2 利用高壓衰減器進行直接注入的電路分析方法

利用EFT干擾進行直接注入可以獲得更高的注入電平和更精確的敏感電路判斷，因此診斷分析的效率更高，可以作為解決EFT抗擾度問題的通用方法。但EFT信號高電壓脈沖會損毀電路器件，因此不能直接注入到電路PCB板，需要使用高壓衰減器對進行衰減和隔離之后才可以對電路進行注入，而且為了保證發(fā)生器和電路安全也只能采用共模注入的方式。實際應(yīng)用可以采用40dB-60dB的高壓衰減器對EFT信號進行衰減并利用隔離電容進行隔離之后對PCB板級電路進行共模直接注入，這種方法在研發(fā)工作環(huán)境下有很高的診斷分析效率，但所需的專業(yè)設(shè)備和輔助工具較多實施也較為復(fù)雜，在此不做詳細介紹，而利用波形發(fā)生器進行直接注入的方法更為簡便安全，可以作為參考。

2.3利用波形發(fā)生器進行直接注入的電路分析方法

波形發(fā)生器可以模擬EFT脈沖波形，并且輸出也在小信號電路的安全電壓范圍，同時很容易實現(xiàn)接地隔離，在成本、便利性、安全性上有很大優(yōu)勢。波形發(fā)生器采用100kHz方波脈沖，調(diào)整占空比使得脈寬50nS，將上升下降時間調(diào)到5nS即可模擬出EFT的頻譜，而10mVpp值的輸出就能達到80dBμV的注入電壓，因此能夠模擬注入非常高的EFT干擾能量確保復(fù)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。利用示波器和頻譜儀確認波形和頻譜模擬正常之后就可以參考以下布置示意圖進行PCB電路的EFT問題診斷分析。

圖9 ?波形發(fā)生器模擬EFT脈沖頻譜進行直接注入

圖9的示意圖中波形發(fā)生器輸出端接3-10dB的衰減器可以提供部分雙向過壓保護，隔離電容可以先擇EFT標(biāo)準(zhǔn)中采用的22nF電容對直流電壓進行隔離，接入金屬探針就能對電路內(nèi)部進行注入探測，并且可以同步利用電流探頭和頻譜儀確認脈沖注入正常。

由于復(fù)雜的EFT干擾問題都是內(nèi)部小信號電路受到干擾產(chǎn)生的，因此通過這個方法可以快速復(fù)現(xiàn)并定位電路內(nèi)部對于EFT脈沖的敏感電路，如芯片電源，時鐘信號，復(fù)位信號，同步信號，控制電路, 電壓電流采樣,保護采樣, 反饋控制電路，驅(qū)動信號,通訊電路等，通過逐步降低注入等級直到找到最終最敏感的源頭并且進行設(shè)計的優(yōu)化和確認。EFT問題的診斷分析中的各種實踐方法中只有這種方法直接針對系統(tǒng)中最薄弱的敏感點，通過優(yōu)化短板提高系統(tǒng)整體的抗擾能力，同時這種方法并不依賴實驗室EFT發(fā)生器資源只需要常見的硬件設(shè)備工具就能在研發(fā)場地進行診斷分析和優(yōu)化，能夠可以讓工程師從容調(diào)配資源應(yīng)對從而減小研發(fā)成本、項目進度、測試資源等壓力。由于利用波形發(fā)生器進行EFT頻譜直接注入的方法搭建便利、診斷效率高、且非常安全，因此可以作為EFT干擾類問題的通用解決方法。

2.4利用天線進行近場電場注入復(fù)現(xiàn)問題的方法

由于EFT頻譜存在大量的30MHz以上的高頻分布，且EFT發(fā)生器的內(nèi)阻能夠與天線的阻抗匹配，因此EFT脈沖天然就具備利用天線進行直接電場注入的條件，所以我們可以利用天線直接注入對大型復(fù)雜系統(tǒng)進行現(xiàn)場的EFT預(yù)測試和診斷分析。

圖10 EFT電場注入和用于EFT電場注入天線的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

圖10左圖是使用注入天線進行EFT電場注入的校準(zhǔn)布置。EFT注入使用的雙錐天線需要對阻抗進行匹配設(shè)計以保證注入效率，圖10右圖是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀比對測試了EFT注入的天線和測量天線R&S HK116的電壓駐波比參數(shù)和兩組天線的場地衰減系數(shù)的實測數(shù)據(jù)，可以看出EFT注入天線在30-80MHz頻段的VSWR要更優(yōu)，能夠更高效將EFT高頻能量發(fā)射出去從而建立干擾電場。

圖11 400V EFT 注入雙錐天線在3米距離產(chǎn)生的場強

圖11是利用HK116測試得到400V EFT信號通過EFT注入天線在3米測試距離上產(chǎn)生的達到80dBμV/m電場，說明這個天線能夠利用EFT的高頻能量建立一個很強的寬頻干擾電場。由于移動注入天線的位置和距離可以改變EFT注入的電場強度，因此也可以利用這種方法來分析大型系統(tǒng)EFT敏感部件的大致位置，這種EFT天線電場注入的方法可以作為大型復(fù)雜系統(tǒng)EFT預(yù)測試和診斷分析的一種備用方法。

三、 EFT防護器件的防護性能實測方法

EFT問題的診斷分析中防護器件的真實表現(xiàn)也是診斷分析和設(shè)計中非常重要的參考信息?？梢詤⒖家韵路椒▽Ω鞣N相關(guān)器件進行EFT防護性能的實測。

圖12 EFT防護器件的性能實測方法示意圖

圖12是利用EFT信號發(fā)生器、帶衰減器的示波器、50歐的同軸夾具組成的EFT防護器件的插入損耗測試系統(tǒng)的示意圖。這個測試方法可以對濾波器、電感磁環(huán)、電容、TVS、MOV、ESDA等器件的EFT響應(yīng)進行實測，以下以TVS為例。

a.1000V 初始ETF信號

b.插入TVS吸收之后的接收到的信號

圖13 雙向TVS對500VEFT的吸收效果

TVS器件是常見的電壓鉗位器件，常用于關(guān)鍵信號過壓保護，也用于EFT防護電路的共模脈沖抑制。圖13左圖是1000V EFT信號的初始波形，右圖是插入標(biāo)稱100V TVS之后的EFT殘壓波形，可以看出TVS對脈沖群中的每一個脈沖信號都能夠快速響應(yīng)并且將峰值電壓由1000V鉗位到100V。不同的器件會有不同的EFT響應(yīng)，通過對器件的EFT性能實測能夠為相應(yīng)的電路設(shè)計提供指導(dǎo)（后續(xù)再對該部分進行詳細介紹）。

小結(jié)

波形、頻譜的分析和實測表明EFT是一種破壞性弱但干擾能力很強的共模脈沖干擾，能夠通過線纜沿端口電路向內(nèi)傳導(dǎo)共模電壓，也可以通過空間輻射高頻電場直接對內(nèi)部信號處理電路產(chǎn)生干擾，因此我們在工程實踐中需要注意以下幾點：

1. EFT能量在1W以下，直接損壞器件的可能性較小，器件損壞失效性原因應(yīng)優(yōu)先考慮干擾導(dǎo)致誤動作損壞而不是直接EFT擊穿損壞；

2. 直接承受EFT能量的器件和電路抗EFT低頻共模干擾能力都很強，如輸入濾波器對于EFT傳導(dǎo)頻段的干擾有很強的抑制能力，但EFT高頻干擾耦合和轉(zhuǎn)換能力很強，需要通過高頻抑制來提高EFT抗擾能力，如濾波器高頻抑制不足時可以在內(nèi)部線纜上增加鎳鋅材質(zhì)磁環(huán)提升高頻共模抑制能力，這是常用的解決沿線纜的的高頻EFT干擾問題的方便有效手段；

3. EFT需要通過注入線纜作為天線來產(chǎn)生干擾電場，因此將長度過長的線纜控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的50cm長度能夠降低產(chǎn)生的電場干擾，將線纜貼近接地參考面也能有效減小EFT干擾電場，因此在EFT測試中合理裁剪輸入電纜長度和合理布置走線也可以作為潛在的規(guī)避測試問題的手段；

4. EFT的電場干擾需要通過電場屏蔽來抑制，因此無屏蔽的產(chǎn)品需要在設(shè)計之初就考慮對EFT電場的抗擾能力。

當(dāng)出現(xiàn)EFT難題時（采用端口濾波和線纜增加共模磁環(huán)或屏蔽優(yōu)化不能解決），往往意味著板級小信號電路存在EFT干擾信號的敏感點，需要找到敏感電路源頭才能解決此類問題。定位敏感電路源頭常用的方法是近場注入和直接注入，其中利用波形發(fā)生器進行直接注入的分析方法相對近場注入方法在便捷性和效率上有優(yōu)勢，可以做為EFT問題診斷分析的通用方法。另外對EFT防護器件的性能實測也能為EFT設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

本文為電磁兼容EMC公眾號原創(chuàng)技術(shù)文章支持計劃優(yōu)質(zhì)來稿。

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