电磁兼容性之雷击浪涌测试

电磁兼容性雷击浪涌测试基本概念详情介绍

1. 雷击浪涌测试的定义与核心目的

• 定义：
  雷击浪涌测试是模拟自然界雷击或电网开关操作时产生的瞬态过电压、过电流（即 “浪涌”），评估电子电气设备在遭受此类干扰时的抗扰能力（EMS）。

• 核心目的：

• 验证设备在浪涌冲击下是否会出现功能失效、性能降级或硬件损坏（如芯片击穿、电容爆裂）；

• 确保设备符合电磁兼容（EMC）标准（如 IEC 61000-4-5、GB/T 17626.5），满足抗浪涌等级要求，提升户外或电网环境下的可靠性（如路灯、工业控制设备）。

2. 浪涌的产生来源与典型波形

• 外部来源：

• 雷击感应：雷击附近线路时，通过电磁耦合在设备电源线 / 信号线上产生瞬态过电压（如 100ns 上升沿、50μs 衰减的浪涌波形）；

• 天电干扰：大气静电放电（ESD）间接影响设备端口。

• 内部来源：

• 电网开关操作：大型电机启停、变压器断电时，电感负载断开产生的反电动势（如 1.2/50μs 电压浪涌、8/20μs 电流浪涌）；

• 继电器 / 接触器动作：触点电弧放电，形成高频瞬态干扰。

• 典型测试波形：

• 电压浪涌：1.2/50μs（上升时间 1.2μs，半峰值时间 50μs），用于模拟雷击感应或开关过电压；

• 电流浪涌：8/20μs（上升时间 8μs，半峰值时间 20μs），用于模拟雷电流或短路电流；

• 组合波：10/700μs 电压 + 5/320μs 电流，针对户外通信设备（如天线馈线）。

3. 主要测试标准与等级划分

• 国际 / 地区标准：

• IEC 61000-4-5（国际）：电磁兼容抗扰度基本标准，规定浪涌测试的波形、等级和方法；

• GB/T 17626.5（中国）：等同采用 IEC 61000-4-5，用于 CCC、CQC 认证；

• EN 61000-4-5（欧盟）：CE 认证中 EMC 抗扰度的核心标准之一；

• GR-1089（美国）：针对通信设备，增加了共模 / 差模浪涌的特殊要求；

• ISO 16750-2（汽车）：汽车电子抗浪涌测试标准，模拟车载电源系统瞬态（如 ISO 7637-2 的脉冲 1、2a、3a 等）。

• 测试等级（以电源端口为例）：

  等级	开路电压（kV）	短路电流（kA）	应用场景举例
  1	0.5	0.25	家用小功率设备
  2	1.0	0.5	办公设备
  3	2.0	1.0	工业控制设备
  4	4.0	2.0	户外设备、电力设备
  X	自定义（如 6kV）	自定义	特殊场景（如）

4. 测试环境与关键设备

• 测试场地：

• 实验室：需配备接地参考平面（GRP），设备与 GRP 通过 47Ω 电阻连接，模拟实际接地条件；

• 环境温度：15-35℃，湿度≤75% RH（避免湿度影响绝缘性能）。

• 关键设备：

• 耦合电容：将浪涌电压耦合至被测线路（如电源火线、零线）；

• 去耦电感 / 电阻：防止浪涌电流流入非测试设备（如电网或辅助设备），确保安全；

• 功能：产生标准波形的浪涌电压 / 电流，支持共模（线 - 地）和差模（线 - 线）注入；

• 核心参数：输出电压范围（如 0.5-6kV）、波形精度（上升时间、半峰值时间误差≤±10%）；

• 浪涌发生器：

• 耦合 / 去耦网络：

• 示波器：监测浪涌波形参数（如峰值电压、电流）及设备响应（如输出电压跌落、复位信号）；

• 负载模拟器：模拟设备实际工作负载（如电机、电阻负载），确保测试状态真实。

5. 测试流程与关键步骤

1. 样品准备与配置：

• 设备按实际使用连接电源、信号线及负载（如路由器连接网线和电源）；

• 记录设备工作模式（如待机、满负荷运行），并开启关键功能（如通信、数据传输）。

2. 耦合 / 去耦网络连接：

• 电源端口：通过耦合电容将浪涌注入火线 - 地、零线 - 地（共模）及火线 - 零线（差模）；

• 信号 / 通信端口：使用专用耦合网络（如耦合钳），避免损坏端口（如 RJ45 接口需串联保护器件）。

3. 浪涌注入与监测：

• 按等级施加浪涌脉冲，正 / 负极性各 10 次，间隔≥1 分钟（避免器件过热）；

• 每次注入时，监测设备功能（如是否死机、数据丢包）、输出电压 / 电流是否异常。

4. 结果评估：

• A 级：无功能丧失或性能降级，符合预期运行；

• B 级：功能暂时丧失但可自动恢复（如短暂复位后正常）；

• C 级：需手动复位或重启才能恢复；

• D 级：硬件损坏或数据丢失，无法恢复（判定不合格）。

6. 常见浪涌防护设计与整改措施

• 防护器件选型：

• 作用：纳秒级响应，快速钳制电压（如 SMBJ6.8CA 用于 5V 信号端口），适合高频信号；

• 缺点：通流能力较弱（≤1kA），需与 GDT/MOV 配合使用；

• 作用：高电压击穿后导通，泄放大电流（如 10kA 以上），适用于电源入口；

• 缺点：响应时间慢（ns 级），击穿后存在续流风险；

• 作用：电压超过阈值时迅速导通，钳制浪涌电压（如 14D471K 表示钳位电压 470V）；

• 缺点：多次冲击后老化，容值较大（几百 pF），不适合高频信号端口；

• 压敏电阻（MOV）：

• 气体放电管（GDT）：

• TVS 二极管（瞬态电压抑制器）：

• 共模扼流圈：抑制共模浪涌电流，对差模干扰效果有限，常用于电源线滤波。

• 防护电路设计原则：

• 防护器件靠近端口放置，减少浪涌电流流经路径；

• 电源线与信号线间距≥2mm，避免耦合干扰。

• 防护器件接地引线尽量短（≤5cm），降低电感（引线电感会导致钳位电压升高）；

• 信号地与保护地分离，避免浪涌电流干扰信号回路；

• 一级：GDT/MOV（泄放大能量），二级：TVS（精细钳位），三级：去耦电容（吸收残余高频噪声）；

• 例：电源入口串联 GDT（10kA）→并联 MOV（680V）→串联电阻→TVS（5V）→负载；

• 多级防护：

• 接地设计：

• PCB 布局：

• 整改案例：

• 问题：设备电源端口浪涌测试（2kV）时重启→原因：MOV 钳位电压过高（如选用 680V MOV，实际钳位至 800V，超过芯片耐压 5V）；

• 措施：更换为钳位电压更低的 MOV（如 470V），并在芯片电源引脚并联 10μF 电解电容 + 0.1μF 陶瓷电容，吸收瞬态能量。

7. 应用场景与行业

• 户外设备：路灯、气象站、户外监控摄像头，需抵抗雷击感应浪涌；

• 工业控制：变频器、PLC、电力仪表，应对电网开关操作浪涌；

• 汽车电子：车载导航、电池管理系统（BMS），符合 ISO 16750-2 的电源瞬态抗扰要求；

• 通信设备：交换机、基站天线馈线，需通过 GR-1089 的共模浪涌测试（如 10/700μs 波形）；

• 家电：空调、冰箱（尤其是雷暴多发地区），需通过 GB/T 17626.5 的基础浪涌等级。

8. 注意事项与测试要点

• 安全防护：

• 浪涌发生器输出电压可达 6kV 以上，测试时需佩戴绝缘手套，设备外壳接地；

• 非测试人员远离测试区域，避免触电风险。

• 标准差异：

• 汽车电子（ISO 16750-2）与通用标准（IEC 61000-4-5）的浪涌波形不同（如汽车测试包含持续 100ms 的脉冲 1，模拟启动时的电压跌落）；

• 通信端口（如 RJ45）需使用专用耦合网络（如混合波发生器），避免直接注入高压损坏端口。

• 器件降额设计：

• 防护器件的额定电压需高于线路正常工作电压 1.5 倍以上（如 220V 交流电源选 MOV 额定电压≥310V）；

• 通流能力需匹配测试等级（如 4kV 浪涌测试需 GDT 通流≥5kA）。

9. 

雷击浪涌测试是评估设备抗瞬态干扰能力的关键环节，尤其对户外、工业和汽车领域设备至关重要。通过合理设计多级防护电路（GDT/MOV/TVS 组合）、优化接地和 PCB 布局，可有效提升设备的浪涌抗扰度。企业需在产品开发阶段结合目标市场的标准（如 IEC、ISO、GR-1089）进行预测试，提前整改，以确保产品在复杂电磁环境中稳定运行。