电磁兼容试验和测量技术之浪涌(冲击)抗扰度

在当今科技飞速发展的时代，电子设备和系统无处不在，从日常生活中的智能手机、电脑，到工业生产中的自动化设备、电力系统，它们的正常运行对于我们的生活和工作至关重要。然而，这些设备和系统所处的电磁环境却日益复杂，各种电磁干扰可能会对其性能产生影响，甚至导致故障。电磁兼容性(EMC)作为确保设备在其电磁环境中不受干扰正常工作的关键因素，愈发受到人们的关注。浪涌抗扰度作为电磁兼容性测试中的一项重要内容，对于评估设备在突然电压波动条件下的稳定性和可靠性起着不可或缺的作用。

浪涌(冲击)的产生原理

浪涌通常是指一种短暂的、突发的电压或电流尖峰，其产生原因主要有以下两类：

电力系统开关瞬态

主电源系统切换骚扰：例如电容器组的切换，在切换瞬间，电路中的电流和电压会发生急剧变化，从而产生浪涌。

配电系统中较小的局部开关动作或负载变化：当小型开关开合或负载突然增加、减少时，也可能引发电压的瞬间波动，形成浪涌。

与开关器件(如晶闸管)相关联的谐振现象：开关器件在工作过程中，可能会引发电路中的谐振，导致电压升高，产生浪涌。

雷电瞬态

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，这种直接雷击产生的浪涌能量巨大，对设备的危害极大。

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会在导体上感应出电压和电流，从而形成浪涌。

附近直接对地放电的雷电电流：通过入地耦合到设备组接地系统的公共接地路径，产生感应电压，进而形成浪涌。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。

浪涌抗扰度测试的原理与标准

测试原理

浪涌抗扰度测试的目的是测量和评估电子设备在受到电磁干扰时的性能表现。测试过程包括在设备的馈入点施加规定强度、波形和持续时间的干扰信号，然后观察设备的响应。通过这种方式可以衡量设备对电磁噪声的免疫能力，并找到可能的弱点，以便进行改进。

测试标准

国际电工委员会(IEC)制定的 IEC 61000 - 4 - 5 标准，成为全球范围内浪涌抗扰度测试的基准。该标准详细描述了用于测试浪涌耐受能力的典型波形，如组合波，其中包括 1.2/50μs 电压波和 8/20μs 电流波，这两种波形能够很好地模拟雷击和电气开关操作所产生的浪涌现象。同时，该标准还指出了适用的电压和电流水平。我国的 GB/T 17626.5 - 2019《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》标准，全面替代了 GB/T 17626.5 - 2008，该标准使用翻译法等同采用 IEC 61000 - 4 - 5：2014，规定了设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌(冲击)的抗扰度要求、试验方法和推荐的试验等级范围，适用于电气和电子设备。

浪涌抗扰度测试的设备与方法

测试设备

浪涌发生器：这是实施浪涌抗扰度测试的关键设备，它能够仿真不同类型的电磁浪涌条件，以便测试电子设备对各种干扰的抗扰能力。浪涌发生器产生的波形需符合 IEC 61000 - 4 - 5 标准规定的 1.2/50μs(电压波)和 8/20μs(电流波)组合波。

耦合 / 去耦网络(CDN)：其作用是将浪涌脉冲注入被测设备(EUT)端口，同时隔离供电网络，确保测试过程中不会对供电网络造成影响，也避免供电网络对测试结果产生干扰。

示波器与电流探头：用于实时监测浪涌波形参数，如峰值电压、上升时间等，以便准确了解浪涌的特性。

EMI 接收机：主要用于记录测试过程中产生的电磁辐射干扰，全面评估设备在浪涌干扰下的电磁兼容性。

测试方法

测试环境搭建：通常在屏蔽室内布置设备，这样可以确保背景噪声低于标准限值，减少外界电磁干扰对测试结果的影响，为测试提供一个相对纯净的电磁环境。

脉冲施加方式：采用差模(线间)和共模(线对地)两种注入方式，因为在实际应用中，浪涌可能通过这两种不同的路径对设备产生干扰，通过这两种注入方式可以覆盖所有可能的干扰路径，全面测试设备的抗扰度。

测试等级选择：根据设备的应用场景来选择合适的测试电压等级。例如，工业环境对设备的抗干扰要求较高，可能选择 4kV 的测试电压;而民用环境相对要求较低，可能选择 0.5kV - 2kV 的测试电压。不同的应用场景面临的电磁干扰强度不同，通过选择合适的测试等级，可以使测试更具针对性和实际意义。

重复性测试：为了确保测试结果的准确性和可靠性，每个极性至少施加 5 次正 / 负脉冲，间隔时间≥1 分钟。多次施加脉冲可以更全面地观察设备在不同浪涌冲击下的表现，避免因单次测试的偶然性而导致测试结果不准确。

性能评估：在测试过程中及测试后，检查设备的功能是否正常，记录设备是否出现复位、重启或损坏等情况。根据设备的性能表现，依据相关标准来判断设备是否通过测试。

浪涌抗扰度测试的重要性与应用

产品质量与可靠性保障

通过浪涌抗扰度测试，可以有效捕捉设备在面对电磁干扰时可能出现的缺陷，确保产品质量符合市场要求。在产品开发阶段进行此项测试，能够及时发现设计中的薄弱环节，对产品进行改进，从而提高产品的可靠性，减少产品在实际使用中出现故障的概率，提升消费者的使用体验和满意度。

减少经济损失

未经过浪涌抗扰度测试的电子产品，容易在实际使用中因遭受浪涌冲击而出现故障，进而导致用户投诉及经济损失。对于企业来说，产品故障可能引发召回事件，不仅会造成直接的经济损失，还会对企业的品牌声誉造成严重损害。而进行测试可以有效降低这类风险，保障企业的经济效益和品牌形象。

广泛的应用领域

浪涌抗扰度测试在众多领域都具有重要应用。在医疗器械领域，设备的可靠性关乎患者的生命安全，经过严格的浪涌抗扰度测试，能够确保医疗器械在复杂的电磁环境下稳定运行，为医疗诊断和治疗提供可靠保障。在航空航天领域，电子设备面临着更加严酷的电磁环境，浪涌抗扰度测试是保障飞行器电子系统安全可靠运行的关键环节。在汽车电子领域，随着汽车智能化程度的不断提高，大量电子设备应用于汽车中，通过浪涌抗扰度测试可以确保汽车电子设备在各种工况下正常工作，提升汽车的安全性和稳定性。

未来浪涌抗扰度测试的发展方向

更高的测试要求

随着技术的发展，电子设备的应用场景越来越复杂，对设备的抗干扰能力要求也越来越高。未来的测试标准可能要求更高的浪涌耐受能力，以应对更加严酷的使用环境。例如，在一些特殊环境下，如高海拔地区、强电磁干扰区域，设备需要具备更强的抗浪涌能力才能正常工作。

测试复杂性增加

随着智慧城市、物联网和智能家居等领域的发展，电子设备之间的互联性将日益增强，这对 EMC 测试的复杂性提出了新挑战。在这些复杂的系统中，设备之间的相互干扰问题更加突出，浪涌抗扰度测试需要考虑更多的因素，如设备之间的通信接口、网络拓扑结构等对浪涌传播和抗扰度的影响。

测试设备和方法的优化

为了满足不断提高的测试要求，浪涌抗扰度测试设备和方法将不断优化。一方面，计算机仿真技术的引入将加速原型设计和设备改进的过程，通过建立精确的模型，可以在设备实际投入使用前精确预测其在真实环境中的表现，提前发现问题并进行改进，从而缩短产品开发周期，降低成本。另一方面，测试设备的精度和性能也将不断提升，能够更准确地模拟各种复杂的浪涌场景，提高测试结果的准确性和可靠性。

浪涌抗扰度测试作为电磁兼容性评估中的一个重要环节，对于保障电子设备的耐用性和功能稳定性具有不可替代的作用。在未来，随着行业标准的不断进化，制造商和工程师应高度重视浪涌抗扰度和其他 EMC 测试，这不仅是满足合规性的需要，更是推动产品创新和提升竞争力的关键。