1、问题现象描述

某电力电子自动化控制公司生产制造的智能电力控制设备，依据GB/T17626.4的标准进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验时，出现网络数据传输中断错误，具体现象如下：

图1：网络数据中断测试图示

 

客户花费大量时间进行分析调试，仍然无法解决问题，委托我司进行整改，客户具体测试标准要求如下表所示：（网络数据传输错误是无法接受问题）

图2：客户测试标准要求

 

收到客户邮寄的样机，在客户配合指导的前提下，搭建起测试平台，进行问题确认。确认从电源端口注入EFT干扰，则不会出现网络数据中断错误的问题；而从信号端口注入EFT干扰，则会出现网络数据传输中断错误的问题，同客户端测试结果基本吻合，排除试验场地、测试设备、试验环境的差异。    

 

图3：产品形态图

 

2、问题现象分析

EFT干扰测试其实质是共模噪声注入测试，干扰主要表现形式是共模噪声电流泄放过程形成的空间场辐射耦合，共模噪声在参考地平面流动时产生的地电位差，而形成的电场耦合，以及高频噪声电流环路形成的环路感应耦合。

图4：EFT噪声注入端口  

根据EFT注入干扰的特征，在注入端口线缆上增加不同规格材质的磁环，无明显改善基本排除共模电流磁场耦合问题；EFT噪声注入的接地端子移除，衰减EFT噪声电流改善非常明显，注入信号端口对PE地增加1000pF滤波电容，问题改善非常明显。

 

图5：EFT噪声注入接地端子位置

 

图6：EFT噪声注入端口对PE地增加1000pF电容    

 

信号端口增加不同规格的磁环，无明显改善，则说明不是共模电流的磁场辐射耦合；在EFT噪声注入端口增加1000pF电容对参考地，改善非常明显，说明干扰的主要形式是以电场辐射的方式耦合；考虑到在注入信号端口增加电容，实际生产作业过程中很难实现，对策可行性较低。

 

图6：EFT噪声注入接地端子浮空衰减共模电流

 

移除EFT测试时接地端子，降低共模电流可以解决，初步分析判断接地端子附近存在敏感信号，拆机分析时发现系统主控芯片靠近接地端子处，存在电场耦合的风险。    

 

图7：EFT噪声注入接地端子附近是主控芯片

 

主控芯片属于敏感电路，容易耦合外部电场干扰，出现网络数据传输中断问题，电场耦合可以通过增加屏蔽罩进行电场隔离，EFT测试结果PASS，网络传输中断的问题消失，也可以将主控芯片移离EFT噪声注入接地端子，减小空间电场耦合。

图8：主控芯片增加金属屏蔽罩隔离电场耦合

 

3、问题产生根因分析

 

 通过分析试验验证，问题产生的根因分析如下：    

 

  EFT干扰注入在信号线与PE参考地之间形成高频电位差，存在较强的高频电场辐射，而控制板的主芯片就处于电场辐射的范围。在信号线增加对地1000pF Y电容,其本质就是降低信号线在EFT干扰注入时的电位差，其实质就是降低电场辐射，芯片受到的电场辐射噪声也随之变小。改变PE地接地位置，信号线对PE地的电场辐射位置也随之改变，芯片不在电场辐射的范围内，或者说芯片受到的电场辐射噪声是在芯片的承受范围，芯片工作状态未到任何影响。

 

图9：EFT干扰耦合机理示意图

 

图10：移动接地端子后EFT干扰耦合机理示意图

 

  产品抗EFT干扰注入测试，其本质上是共模干扰注入测试，虽然干扰频率相对来说较低（5KHz/100KHz）；但其上升沿非常陡峭（方波），其高次谐波非常丰富（高频电场）。高频电压产生的电场很容易与周围敏感电路、敏感元件产生感应骚扰电压，尤其是敏感元件（例如：控制芯片或者芯片散热片）之间发生的容性耦合，耦合噪声超过芯片干扰容限时引起其误动作。此产品控制芯片靠近EFT测试地线时，注入信号与参考地（通常为PE）之间形成的分布电场，干扰到控制芯片引起工作状态异常。

 

4、问题解决方案

 

通过分析验证，拟定问题的解决方案如下：

 

问题解决方案（一）：

主控芯片增加金属屏蔽罩，进行电场屏蔽，减小EFT注入时电场噪声与控制芯片之间的容性耦合。

图11：主控芯片增加金属屏蔽罩

 

问题解决方案（二）

 

修改PCB Layout设计，将控制芯片由底层改为顶层，通过PCB板本身的金属层形成电场屏蔽，解决与注入地线（PE地线）之间的容性耦合问题。    

图12：主控芯片由底层调整到顶层

 

以上两种方案均可以有效解决电快速脉冲群（EFT）测试时，网络数据传输中断问题，综合考虑项目改动的影响及项目进度影响，采用问题解决（一）。

 

5、案例思考与启示

 

系统主控芯片通常是辐射发射问题的噪声源头，同时也是抗扰度敏感的源头，外部的干扰噪声注入形成的空间场干扰，则会在芯片内部产生感应电动势或者感应电流，当超过的噪声容限值，就容易导致主控芯片工作状态异常。不同芯片敏感度不同，敏感点也不同，尤其增加金属散热片且散热片本身浮空，不接地的情况下，更容易感应电场噪声。

EMS抗扰度测试的干扰机理：主要是地电位波动引起的信号传输电平错误，二是干扰的注入端口的空间磁场辐射与电场辐射，磁场辐射在敏感环路中容易感应噪声电流与噪声电压，电场辐射容易在敏感环路或者器件感应噪声电压。  

 

来源：风陵渡口话EMC

关键词： 电快速脉冲群测试系统