地回線對(duì)容性耦合鉗快速瞬態(tài)脈沖注入的影響

/ .同濟(jì)大學(xué)；.上海交通大學(xué)

0 引言

容性耦合快速瞬態(tài)脈沖抗擾度試驗(yàn)是采用容性耦合鉗（CCC）把快速瞬態(tài)試驗(yàn)脈沖注入到受試設(shè)備（DUT）的待測(cè)線束，用以評(píng)價(jià)DUT對(duì)耦合到非電源線路的快速瞬態(tài)脈沖的抗干擾性能。在基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-3定義的CCC試驗(yàn)方法中，DUT的所有導(dǎo)線應(yīng)穿過(guò)CCC，包括或不包括電源線，具體由車輛制造商和供應(yīng)商協(xié)商決定。目前，包括全球知名車輛制造商在內(nèi)的大部分車輛制造商制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在引用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-3時(shí)并沒(méi)有對(duì)CCC試驗(yàn)細(xì)節(jié)作進(jìn)一步的定義。例如，當(dāng)DUT包含信號(hào)地線、屏蔽線的屏蔽層等多條地回線時(shí)，在試驗(yàn)實(shí)施中不同類型地回線是否穿過(guò)CCC對(duì)試驗(yàn)的影響并未作出明確定義。

本文首先介紹了容性耦合快速瞬態(tài)脈沖抗擾度試驗(yàn)方法。其次，建立了線束耦合模型，并分析了線束的不同耦合路徑。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同地回線的處理方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 容性耦合快速瞬態(tài)脈沖抗擾度試驗(yàn)方法

容性耦合鉗（CCC）方法適用于耦合快速瞬態(tài)試驗(yàn)脈沖，特別適用于帶有中等數(shù)量或大數(shù)量待測(cè)導(dǎo)線的DUT。CCC試驗(yàn)方法布置如圖1所示，瞬態(tài)脈沖發(fā)生器把快速瞬態(tài)脈沖注入到CCC的輸入端口，CCC的輸出端口接50 Ω衰減器，并連接至示波器監(jiān)控試驗(yàn)脈沖信號(hào)。穿過(guò)CCC的DUT主線束長(zhǎng)度，即耦合長(zhǎng)度是1 m；DUT和CCC之間的距離、輔助設(shè)備和CCC之間的距離應(yīng)≥300 mm；DUT線束在CCC之外的部分置于接地平板上方（50 ± 5）mm；CCC的鉸鏈蓋和試驗(yàn)線束應(yīng)盡可能放平，以確保兩者的接觸。

圖1 CCC方法試驗(yàn)布置

2 線束耦合模型

CCC提供了試驗(yàn)脈沖耦合到被測(cè)電路的途徑，它與被測(cè)設(shè)備、線束，以及輔助設(shè)備沒(méi)有任何連接。CCC耦合效率取決于被測(cè)線束的直徑和材料，其中CCC和被測(cè)線束之間的典型耦合電容大約為100 pF，被測(cè)線束直徑的適用范圍為4 ～ 40 mm。如圖2所示為CCC方法試驗(yàn)的線束耦合模型。

圖2 CCC方法試驗(yàn)的線束耦合模型

為研究方便，假設(shè)CCC和被測(cè)線束之間的耦合電容為Cp，被測(cè)線束電路的耦合電流和電壓分別為IG和VG，RS和RL為終端負(fù)載。在受擾電路中，終端負(fù)載為RNE和RFE，感應(yīng)電流和電壓分別為IR和VR。被測(cè)線束電路和受擾電路上的自電感分別為L(zhǎng)G和LR，自電容分別為CG和CR，互電感為L(zhǎng)m，自電容為Cm。由鏡像法，可以計(jì)算得出兩導(dǎo)線間的單位長(zhǎng)度互電感和單位長(zhǎng)度互電容分別為

式中：μ0—— 真空磁導(dǎo)率；

ε0—— 真空介電常數(shù)

由以上公式可知，單位長(zhǎng)度互電感Lm與導(dǎo)線間距離d和導(dǎo)線距參考地高度h相關(guān)；單位長(zhǎng)度互電容Cm與導(dǎo)線間距離d和導(dǎo)線距參考地高度h，以及導(dǎo)線半徑r相關(guān)。

3 地回線的影響

快速瞬態(tài)試驗(yàn)脈沖是模擬開(kāi)關(guān)切換過(guò)程產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象，瞬態(tài)脈沖的特性受線束的分布電容和電感的影響。為研究方便，所采用的DUT包含主線束、電源線和屏蔽線，如圖1中所示。在試驗(yàn)實(shí)施中，DUT的性能下降通常由差模干擾引起，因此，本文通過(guò)示波器監(jiān)控主線束上耦合得到的快速瞬態(tài)脈沖幅度大小來(lái)衡量DUT受到的容性耦合快速瞬態(tài)脈沖抗擾度試驗(yàn)影響。

如圖3所示為同一試驗(yàn)等級(jí)條件下，主線束上耦合得到的快速瞬態(tài)脈沖，其中圖3（a）所示為當(dāng)主線束和屏蔽線穿過(guò)CCC時(shí)，主線束上耦合得到快速瞬態(tài)脈沖的最大值和最小值分別為8.6 V和-10.8 V；圖3（b）所示為當(dāng)僅主線束穿過(guò)CCC時(shí)，主線束上耦合得到快速瞬態(tài)脈沖的最大值和最小值分別為78 V和-69 V。由此可見(jiàn)，因屏蔽線穿過(guò)CCC，主線束上耦合得到快速瞬態(tài)脈沖的峰值減小了約7.6倍，這可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。主線束上耦合得到的快速瞬態(tài)脈沖幅值差異主要是由于屏蔽線的屏蔽層引起的。電子電氣設(shè)備屏蔽線的屏蔽層通常與設(shè)備電源地線或者設(shè)備外殼相連，即屏蔽線的屏蔽層可以被認(rèn)為是設(shè)備地回路之一。當(dāng)DUT的屏蔽線與主線束同時(shí)穿過(guò)CCC時(shí)，主線束上快速瞬態(tài)脈沖會(huì)耦合到屏蔽線的屏蔽層，并被導(dǎo)向接地層，從而使主線束上快速瞬態(tài)脈沖的幅度被明顯地削弱。

此外，當(dāng)DUT包含除電源地線、屏蔽線之外的信號(hào)地回線，且為同一個(gè)地層時(shí)，該信號(hào)地回線將會(huì)使DUT受到的容性耦合快速瞬態(tài)脈沖幅度明顯減小。信號(hào)地回線和信號(hào)線通常在同一線束共同走線，即同時(shí)受到容性耦合快速瞬態(tài)脈沖干擾，因此，對(duì)信號(hào)地回線和信號(hào)線同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)更符合實(shí)際工況。

圖3 主線束上耦合得到的快速瞬態(tài)脈沖

4 結(jié)語(yǔ)

地回線對(duì)容性耦合快速瞬態(tài)脈沖抗擾度試驗(yàn)有較大的影響，特別是當(dāng)DUT包含多條線束時(shí)，測(cè)試計(jì)劃應(yīng)該對(duì)試驗(yàn)的布置進(jìn)行明確定義。不應(yīng)對(duì)走線路徑不同的線束同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以避免某一股線束中的地回線成為另一股線束的“濾波器”，從而降低試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?dāng)DUT包含多個(gè)連接器和多股線束，應(yīng)先對(duì)不同連接器的線束分別進(jìn)行試驗(yàn)，再將所有線束同時(shí)穿過(guò)CCC進(jìn)行試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)?zāi)軌蛲耆M整車中可能出現(xiàn)的多路徑耦合情況。