基于数字化CPS的EFT/B干扰仿真与抑制

胡凯，黄世泽，陆丽君，章正国，何旭涛

(1.浙江舟山电力局，浙江 舟山 316021;2.同济大学 电信学院，上海 201804)

0 引言

数字化控制与保护开关(Control and Protective Switching Device，CPS)作为低压电器中的新型产品，能够根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节功能。其采用数字电路测控方式取代过去传统的热磁式控制保护，使原有保护和控制功能的精确度、可靠性大大提高。由于采用了数字化技术，采用了微处理器和大量的电子元器件，因此务必满足EMC相关的要求。国家有关部门制定了数字化CPS国家标准 GB14048.9－2006，对九项 EMC试验做出了强制要求[1]。

电快速瞬变脉冲群(Electrical Fast Transient Burst immunity Test，EFT/B)是九项EMC强制试验中的一项，由于其频谱宽、谐波多，试验较难通过。本文主要针对EFT试验，建立EFT模型，进行仿真研究，并结合实物进行验证，得到匹配数字化CPS电路的滤波器结构[2]。

1 EFT/B波形分析

根据IEC61000－4－4标准，脉冲群持续时间在5 kHz时为15(1±20%)ms;每个脉冲群包含单个脉冲75个;脉冲群周期(见图1)为300(1±20%)ms。瞬变干扰试验一般要持续1分钟，这段时间间隔内，共含200*75=15 000个脉冲。单个脉冲的重复周期为200 us，有效宽度是2 us，“占空比”为1∶100。电快速瞬变骚扰的单个脉冲的能量为4 mJ。其波形如图2所示。

对于单个5/50 ns波形，IEC将其函数定义为:

进行拉普拉斯变换后，可得:

根据IEC标准和EFT/B发生器生产厂家的设置参数，可令，s=jw，A=1.270，τ1=3.5 ns，τ2=55.6 ns，Vp=1 000 V，得出波特图。由波特图可知，EFT/B骚扰波形的频谱主瓣在100 MHz以内，其中高频部分能量虽然较小，但辐射能力很强，即使比率较小也足以影响半导体电路的正常运行。在频率为 100～200 MHz这段内，衰减的幅度比较大，这一段的骚扰是不能忽略的;200 MHz以后骚扰就衰减得很小了，高于200 MHz的骚扰根据实际经验，影响并不是很强烈。综上所述，研究快速瞬变脉冲群骚扰时，应该主要抓住100 MHz以内的骚扰成分进行分析。

图1 一个脉冲群周期

图2 单个EFT脉冲波形

2 仿真电路结构的建立

为模拟EFT/B对数字化CPS信号采集电路的影响，我们应建立合适的EFT/B发生源模型、滤波器模型和信号采集电路模型。本文采用PSpice软件进行设计和布置，其操作方便，精度较高的优点很适合一般电路设计工作。

2.1 EFT/B发射源电路

根据单个脉冲群信号的特点和频谱分布特性，再参考IEC61000－4－4标准和电路的寄生参数负载情况后[3]，我们可得到脉冲群发生器的电路结构与参数[4]，其中 Cc=2 nF，Rs≈200 Ω，Ls1=140 nH，Ls2=300 nH，Rm=50 Ω，Cd=10 nF。如图3 所示。

图3 EFT骚扰源发生电路模型

其产生的电快速瞬变单个脉冲的波形如图4所示。从图中可见:建立的干扰源模型产生的波形与 IEC61000－4－4标准中的标准EFT/B图形(图2)有所出入:波形下降区域中并没有持续下降。但有专家认为EFT/B实际波形并不是如标准波形般持续下降的，而是有几次小幅度上升的过程然后再缓慢下降[5]。这不仅符合标准所确定的波形形状，也加大了谐波中的复杂程度，使得测试环境更加严格。

图4 仿真出的EFT骚扰源波形

2.2 数字化CPS信号采集电路

加入电快速瞬变脉冲群发生器后数字化CPS控制模块电路图如图5。主要分为线性电源和信号放大处理部分。线性电源电路将220 V市电通过变压器、整流桥以及滤波稳压电路转换为两路12 V和5 V电源，为控制器中的运算放大器、单片机以及数码管显示提供直流稳压电源。电路中的信号处理部分:分别利用三个电流互感器读取CPS主回路的三相电流值，由于经过互感器的信号值很小，不利于单片机采样，因此还需经过运算放大器对信号进行放大处理再送入单片机进行计算分析。C25为将干扰耦合到EUT中的电容，IEC－6100－4－4中规定该电容的容量为3 3 nF。C27、C26分别为电源板与信号处理PCB板的对地寄生电容。R34、R35与R36大电阻是为了满足PSpice仿真软件在仿真过程中要求每个节点必须有直接到地端的直流通路而设置的，由于其阻值很大，均为10 MEG级，对于仿真的结果影响可以忽略不计。

图5 CPS控制器高频电路模型

在未加入EFT/B干扰前，我们把电源输入的市电近似为平滑的正弦波，所以变压器初级输出电压为正弦波，LM7812稳压芯片输出为平滑的12 V直流电压。在加入EFT/B干扰源后，把探棒加到变压器初级端，结果如图6所示。正弦波上增加了很大的谐波分量。经分析可知，加入EFT/B骚扰后的波形是在正常电压波形上叠加了频率为5 kHz的骚扰电压。这种高频的EFT/B骚扰不仅能通过导线转化为差模骚扰影响电路中元器件的正常工作，而且有很强的辐射能力，通过空间辐射对产品造成严重影响，极易造成设备失灵。

加入骚扰源后的直流源输出12 V电压波形分别如图7所示。电压曲线基本在12 V左右，但在约10－20 ms时有明显的电压突变。由于运放的工作电压范围较宽，该突变一般不会影响运放的工作，但很可能引起数字化CPS中其他驱动电路工作异常，如发生单片机程序跑飞、死机等情况，降低产品的可靠性。

图6 加入EFT后变压器一次侧仿真电压波形

图7 加入EFT后线性电源输出12 V波形

3 电路仿真结果及滤波器选择

滤波器是指有能力进行信号处理的装置。在现代各类控制系统中，滤波器的应用极为广泛。选择合适的滤波器，能方便快速地滤除不需要的谐波。滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器，无源滤波器由于设计简单，成本较低，在各种电路中都有广泛的应用。无源滤波器主要电路类型如表1所示。

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理论上分析，L型滤波器典型用于带有低阻抗源和高阻抗负载的电路中。г型滤波器对应高阻抗电源和低阻抗负载的电路。π型滤波器，对阻抗源和负载均表现为低阻抗，比L型结构提供更好的高频滤波性能。T型滤波器电路结构表现为从任何一端的输入均为高阻抗。

由于L型滤波器与π型滤波器在实际使用中发现其抑制EFT/B干扰能力不强，本文只选择T型和г型做出仿真分析。根据实际工程中电气原件特点和以前的经验，把滤波器中原件L取10 uH，C取10 nF，依次加在EFT/B发生器与信号处理电路电源端之间，再通以 EFT/B脉冲群信号，可得到的滤波效果图形如下:

1)加入г型滤波器

EFT骚扰在控制器电源端口处增加г型滤波器后，变压器一次侧和电源12 V输出波形分别如图8和图9所示。容易看出，经过г型滤波器滤波处理后输出波形相对图6和图7中未采用滤波器的骚扰抑制效果好很多。

2)加入T型滤波器

EFT骚扰在控制器电源端口处增加T型滤波器后，输出波形与г型滤波效果相比滤波效果相差不大，如下图10、11所示。

以上仿真图形中可以看出:г型与T型滤波器对EFT抗干扰具有较好的效果，但г型滤波器相对T型滤波器有更平滑的12 V输出电压;同时其结构简单，电子元件使用少，成本比T型滤波器更具优势。从理论上分析，根据滤波器阻抗最大不匹配原理，滤波器阻抗与电源、负载的阻抗失配才能形成驻波，减少干扰[6]。对于数字化CPS滤波器，市电网络可看成低阻抗，负载可看成高阻抗，因此，г型滤波器被广泛地应用在智能 CPS的滤波电路中[7]。

在实验室中采用数字化CPS信号采集电路并分别换用相应滤波器进行试验对比，数据如表2。

由表2可见:г型滤波器对T型滤波器具有更大的优势，在数字化CPS的实际使用环境中能够更有效地抑制EFT/B干扰数字采集电路，使数字化CPS能够在恶劣的EMC环境中稳定运行。

表2 不同滤波实验结果

4 结束语

本文利用PSpice软件对EFT/B骚扰建立了整套模型并进行了仿真，选出对EFT/B抑制效果最佳的滤波器结构，通过仿真分析，我们认为г型滤波器对EFT/B抑制性能较好，通过适当增大滤波器中电感参数，滤波效果有明显增强，在实际应用时只需适当调整电源端PCB板元件布置即能实现，在实际信号采集电路的实验中也证实了理论上的判断。这对今后产品中选择合适的滤波器件提供了理论上的支持，使产品能顺利通过测试上市销售。

[1]中华人民共和国国家标准 GB14048.9－2008/IEC60947－6－2:2007[M].北京:中国标准出版社，2008.

[2]郑军奇.电子产品设计 EMC风险评估[M].北京:电子工业出版社，2008.

[3]BekS.Generator for electrical fast transient immunity test[C].7th International Conference on CAD System in Microelectronics，Russia，2003.

[4]GrazianoCerri，Roberto De Leo.Electrical Fast － Transient Test:Conducted and Radiated Disturbance Determination by a Complete Source Modeling[J].IEEE，2001，43(1):37 －44.

[5]瞿小社，耿英三，王建华，等.电快速瞬变脉冲群抗扰度试验发生器的建模[J].中国电机工程学报，2010，30(6):123 －128.

[6]黄世泽，郭其一，胡景泰，等.智能低压电器的电磁兼容设计研究[C].中国电工技术学会电器智能化系统及应用专业委员会2009年学术交流年会论文集.2009.12.

[7]霍毅明.CPS 的工程设计应用[J].低压电器，2009，51(10):32－35.