【導讀】浪涌抗擾度測試表明，設備或設備在雷擊，或切換重載，或短路故障條件下，引起的工業(yè)電源浪涌等事件中的耐受能力。本文以ADI的AD74115H舉例，如何進行浪涌抗擾度測試。
01 浪涌抗擾度測試原理及詳細分析
首先明確測試目標：浪涌抗擾度測試旨在評估受試設備 (EUT)， 在高能電源與互連線干擾（浪涌脈沖）下的性能。
圖 1 . 浪涌抗擾度測試原理 （圖片來源于Bel Fuse）
1.1 浪涌抗擾度測試兩大主要部分：
● 浪涌脈沖脈沖發(fā)生器
通常通過源阻抗（例如 10 Ω 的電阻、9 μF 的串聯(lián)電容）直接耦合至信號。
● 去耦網(wǎng)絡（CDN）
去耦網(wǎng)絡（CDN）通常包含，（在抗擾度測試系統(tǒng)內）有助于在浪涌測試期間的保護電源或輔助設備。其中去耦網(wǎng)絡（CDN）中的電感，結合電源轉化器輸入電容，從而起到去耦合的作用。
然而，CDN 中使用的電感越高，預期振蕩概率就越高。相反，轉換器輸入電容越高，振蕩的概率就越低。
當 EUT 通過CDN 連接，當前設計的電源轉換器可能無法啟動或出現(xiàn)振蕩。在某些情況下，振蕩可能會導致 EUT 損壞。
1.2 浪涌抗擾度測試關鍵參數(shù)：
● 直流電源的輸入電壓
結論：較高的直流電源輸入電壓，有利于測試。
根據(jù)標準 EN 50121-3-2 ，浪涌測試應在最大輸入工作電壓下執(zhí)行。例如，電池電壓為 110 V 時，應以137.5 V 進行測試。
務必要確保將直流電源電壓調整到足夠高，以補償 CDN 和輸入線的損耗。
舉例：使用24 V DC/DC 轉換器，功率為300 W，CDN 串聯(lián)阻抗 0.5 Ω，CDN 電壓降將為大約 7 V。
同時，輸入電壓越高，預期振蕩概率就越低。
● 負載輸出電流
結論：較低的負載輸出電流，有利于測試。
輸出功率越低，從電源吸取的輸入電流就越低。當負載足夠低時，振蕩就會消失。
● 去耦網(wǎng)絡CDN的額定電流
結論：較低的去耦電感，較低的串聯(lián)電阻，較高額定電流的 CDN，發(fā)生振蕩的可能性較低。
在IEC 61000-4-5 標準中，并未指定 CDN 電感參數(shù)。因此，市場上推出了各類 CDN 設備，這導致部分測試實驗室使用具有相當高電感的 CDN，其中的 DC/DC 轉換器可能會發(fā)生振蕩。相反，有的實驗室可能使用較低電感的 CDN，且沒有觀察到不穩(wěn)定性現(xiàn)象。CDN 的通用電感約為 1 mH（每極）。
● IEC 61000-4-5 浪涌測試等級
02 發(fā)生振蕩的原因與可能的解決方案
● 無負載情況下，發(fā)生振蕩的原因
開關“SW”打開后（或電路中引入其他變化/階躍），此 LC 電路中出現(xiàn)頻率為“fr”的諧波振蕩。
fr = (1/2pi) * (1/sqrt(L*C))
圖 2. 無負載情況下，發(fā)生振蕩的原因 （圖片來源于Bel Fuse）
由于能量無法及時耗散，因此能量在電容和電感之間，以恒定的幅度長久持續(xù)地振蕩。
● 可能的解決方案 - 引入耗散電阻
為了避免振蕩的發(fā)生，可以引入耗散電阻（比如電阻“Rdump”），則電感和電容之間的能量傳輸就會有損耗，且振蕩幅度會隨著時間的推移而減小。
圖 3. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 （圖片來源于Bel Fuse）
● 連接了穩(wěn)壓電源轉換器情況下，發(fā)生振蕩的原因
如果連接了穩(wěn)壓電源轉換器而非耗散元件（如電阻負載），則幅度不會減小，而是及時放大。
圖 4. 連接了穩(wěn)壓電源轉換器情況下，發(fā)生振蕩的原因 （圖片來源于Bel Fuse）
● 可能的解決方案 - 引入耗散電阻
若要補償這種影響，至少需要在電路中添加耗散電阻“R”。若要耗散足夠快，“R”的值應該越小越好。
圖5. 可能的解決方案 - 引入耗散電阻 （圖片來源于Bel Fuse）
電阻“R”的并聯(lián)（左圖），會在直流條件下導致額外顯著耗散。因此，最好串聯(lián)電阻“Rs”和電容器“Cs”（右圖），以更有效地抑制振蕩。
03 減輕浪涌測試期間振蕩的可用解決方案比較
除了引入耗散電阻之外，我們還可以通過調整輸入電容或者限制轉換器調節(jié)環(huán)路帶寬，來減輕浪涌測試期間振蕩。下面是三種方案的比較：
04 ADI AD74115H浪涌測試實例
根據(jù)IEC 61000-4-5工業(yè)環(huán)境標準：
● 浪涌為兩種波形的組合波：
上升時間1.2μs與50μs脈寬開路電壓
上升時間8μs與20μs脈寬短路電流
● DUT（被測器件）在每個額定值下經(jīng)受五次正浪涌和五次負浪涌。
每個浪涌之間的間隔為1分鐘。對AD74115H輸出電纜進行浪涌測試，該電纜被視為DUT的非屏蔽非對稱操作互連線。浪涌通過去耦網(wǎng)絡CDN 117施加到I/O和傳感器。
● CDN（去耦網(wǎng)絡）不影響DUT的指定功能條件。DUT和CDN之間的互連線路長度應小于等于2m。
圖6. ADI AD74115H浪涌測試實例 （圖片來源于ADI）
4.1 硬件配置
為了確保I/O口和傳感器引腳以及用于內部數(shù)字輸出FET的完整性。
浪涌測試期間測試對象，需要測試下面這些特定對象：
● 電壓輸出（以及通過重新配置ADC輸入節(jié)點的電壓輸入）
● 內部數(shù)字輸出
● 傳感器引腳sense_EXT1和sense_EXT 2
浪涌相較于IO_N（AGND）一次一個地耦合到每個端子。所有測試對象均使用非屏蔽電纜。
對于電壓輸出測試對象，將6V配置為連接在IO_P和IO_N之間的100kΩ負載的輸出。測量（電壓輸入）被配置為IO_P至IO_N，范圍為0 V至12 V。
SENSE_EXT1和SENSE_EXT 2節(jié)點被選為診斷節(jié)點，并被配置為0 V到12 V范圍內ADC的輸入。兩個串聯(lián)的AA電池被用作每個SENSE_EXTx引腳的3.1 V輸入。
對于內部數(shù)字輸出，在IO_P和IO_N之間連接1 kΩ負載電阻器。該測量值被配置為對流過內部RSET的電流進行內部診斷。
4.2 軟件配置
使用的軟件是AD74115H評估板提供的評估軟件。在每次測試開始時，進行預測試配置。在放電之前，執(zhí)行前測量流程。放電后，執(zhí)行后測量流程。
● 預測試配置
○ 重置DUT
○ 清除警報狀態(tài)寄存器
○ 配置信道
○ 配置ADC測量節(jié)點
○ 配置ADC采樣率為20 SPS
● 前測量與后測量流程
○ 讀取并存儲警報狀態(tài)寄存器
○ 清除警報狀態(tài)寄存器
○ 讀取ADC數(shù)據(jù)
○ 將數(shù)據(jù)保存到文件
4.3 性能表現(xiàn)總結
下表總結了浪涌試驗結果。對于數(shù)字輸出測試對象，不記錄偏差，因為精度取決于負載。測試驗證了數(shù)字輸出沒有意外關閉。警報狀態(tài)寄存器中的ADC轉換錯誤位在每次測試后設置。ADC誤差表示飽和誤差（ADC測量讀數(shù)為滿刻度），表明在測試引腳上觀察到>12 V的浪涌電壓。
● 常見的防止浪涌電流的元器件
○ 電阻
對于小功率電源(最多幾瓦)，增加一個串聯(lián)電阻，是一個簡單和實用的解決方案，以限制浪涌電流。但限制浪涌電流的的電阻會造成功率損耗，不適合大功率設備。
○ 熱敏電阻
熱敏電阻是一種阻值隨溫度變化而發(fā)生較大變化的電阻元件，他們通常作為電流限制器。
熱敏電阻分為兩類：
正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻
負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻
○ 浪涌電流限制器
這些浪涌電流限制器可用于各種配置和保護涂層，以適應幾乎所有應用。一般來說，串珠式熱敏電阻具有高穩(wěn)定性和可靠性，響應時間快，在高溫下運行。磁盤和芯片類型通常比串珠式的大，因此它們的響應時間相對較慢。然而，它們通常具有更高的耗散常數(shù)，因此在測量、控制和補償應用中能夠更好地處理功率。他們通常成本較低，更容易更換的特點。
總結
浪涌抗擾度測試儀能模擬雷擊和開關操作產生瞬態(tài)過電壓干擾波，評估各種設備的抗電磁干擾能力是否滿足要求。對于測量不同的受試設備，還需要留意受試設備自身的特點，增加合適的測試對象與流程，才能確保受試設備各個部分的信號完整性。
小編的話
浪涌抗擾度測試是模擬雷電帶來的嚴重干擾進行試驗，并以此為評定設備的電源線、I/O線以及通信線的抗干擾能力提供依據(jù)。您在進行浪涌抗擾度測試時是否遇到過文章中提到的問題？您是如何解決相關問題的？相信本文提供的思路和參考可以為小伙伴們進行浪涌抗擾度測試提供有效的方法。
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