家用電器待機下電磁兼容測試的應(yīng)對設(shè)計

戴修敏

（順德區(qū)博為電器有限公司 佛山 528300）

引言

IEC 60335-1:2004 Household and similar electrical appliances - Safety - Part 1: General requirements[1]（中國標準對應(yīng)是GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全第1部分 通用要求》[2]）增加了19.11.4待機狀態(tài)下電磁兼容測試，測試等級/水平比工作狀態(tài)高，一般稱為“風(fēng)險評估”測試。

測試通過的難易程度與家電類型緊密相關(guān)，例如采用雙向可控硅（后面簡稱為可控硅）驅(qū)動小功率交流電機的家電產(chǎn)品（典型產(chǎn)品是電風(fēng)扇）就不容易通過。產(chǎn)品認證從2006年開始執(zhí)行此標準，到如今已有10多年，仍經(jīng)常有廠家通不過測試。

本文以電風(fēng)扇產(chǎn)品為例，詳細說明測試失效的機理，提供系統(tǒng)的解決方案，為類似測試整改提供參考。

1 測試項目介紹

“風(fēng)險評估”測試時，產(chǎn)品工作在待機狀態(tài)，防浪涌裝置要斷開，測試等級/水平比正常測試至少高出一個等級，表1列出風(fēng)險評估與正常測試的區(qū)別。

表1 風(fēng)險評估與正常測試對比

表1中“風(fēng)險評估”的要求從字面上看僅提升一個等級，實質(zhì)上干擾強度的增加，已經(jīng)大大超出了現(xiàn)有的設(shè)計，電路原理和部件規(guī)格均要有較大變化。

2 靜電放電（ESD）

2.1 失效機理

靜電槍產(chǎn)生測試電壓后，靠近或接觸測試位置，通過空氣擊穿或沿著部件表面，電荷到達電子線路，擊毀電子元件，或讓控制功能誤動作。

2.2 測試失敗表現(xiàn)

按鍵誤動作，最壞狀態(tài)是控制器被擊穿損壞。

2.3 測試失敗常見原因

1）發(fā)光二極管、紅外接收器等電子元件裸露，靜電槍可以直接接觸。

2）按鍵、發(fā)光二極管、紅外接收器上的貼膜與結(jié)構(gòu)件有間隙，存在電荷傳遞路徑。

2.4 設(shè)計應(yīng)對

設(shè)計的目標是切斷和加長電荷傳遞路徑，推薦空氣間距≥4 mm，爬電距離≥12 mm，采用以下任一方式均可，參見圖1示例。

圖1 靜電放電的設(shè)計應(yīng)對示意圖（發(fā)光二極管例）

1）裸露的電子元件遠離靜電槍能接觸的地方。例如，插件式LED加長膠體（增加爬電距離），元件與結(jié)構(gòu)體表面平齊改為有一定距離（使靜電槍頭無法接觸元件）。

2）電子元件上的貼膜與結(jié)構(gòu)件緊密貼合（切斷傳遞路徑）。如果工藝不能保證貼合時無縫隙，可以考慮增大貼膜，使貼膜邊緣至電子元件帶電位置的距離≥12 mm。

3 射頻電磁場輻射（RS）

3.1 失效機理

發(fā)射機發(fā)射（80～ 1 000）MHz的射頻信號，電子元件抗輻射性能差或線路形成環(huán)路，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓達到信號的閾值，就會讓控制器誤動作。

3.2 測試失敗表現(xiàn)

按鍵誤動作。

3.3 測試失敗常見原因

PCB布線設(shè)計成環(huán)路。

3.4 設(shè)計應(yīng)對

PCB布線切斷環(huán)路，參見圖2示例。

圖2 射頻電磁場輻射的設(shè)計應(yīng)對示意圖

4 電快速瞬變脈沖群（EFT）

4.1 失效機理

脈沖群信號的頻率為5 kHz，峰值電壓為4 kV，低頻高壓信號的能量高，易擊穿電機控制元件—可控硅。當可控硅被擊穿時，電機就會轉(zhuǎn)動。濾波應(yīng)選電抗，對于家電產(chǎn)品來講成本和體積難以接受。

4.2 測試失敗表現(xiàn)

待機狀態(tài)時電機轉(zhuǎn)動。

4.3 測試失敗常見原因

可控硅被擊穿。

4.4 設(shè)計應(yīng)對

容易想到的應(yīng)對方案是提高可控硅的反向重復(fù)電壓，我們用800 V替換600 V做測試。測試數(shù)據(jù)表明約50 %的產(chǎn)品測試通過，另50 %的產(chǎn)品，即使反向重復(fù)電壓達到1 kV，仍被擊穿，而成本比600 V增加了2～3倍，繼續(xù)提升反向重復(fù)電壓已經(jīng)不太現(xiàn)實。

在多次比對測試中發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，同一個電子控制方案，高性能電機（用銅量大、效率高等）一般都能通過脈沖群測試，早期數(shù)據(jù)量少，以為是PCB布線差異造成而忽略了。對于電子控制方案，電機負載就是一個電感，交流電機主電抗計算公式為：

式中：

f—工作頻率；

μ0—真空磁導(dǎo)率；

m—相數(shù)；

N—每相匝數(shù)；

p—極對數(shù)；

q—每極每相槽數(shù)；

λm—主磁路的比磁導(dǎo)。

由公式可以看出，高性能電機因為用銅量大，電抗在一定范圍內(nèi)偏大。當電抗大時，如果可控硅被擊穿，擊穿電流上升慢，這產(chǎn)生兩個結(jié)果。一個是擊穿電流小，不足以使電機轉(zhuǎn)動；另一個是脈沖群的能量通過擊穿電流釋放，使脈沖電壓峰值迅速降低，從而停止擊穿。因此得到可控硅的特殊參數(shù)要求：可控硅擊穿時不能立即雪崩，要有泄放時間，以降低擊穿電壓。

小功率驅(qū)動采用的可控硅主要是0.8/1.0 A，它需要的特殊參數(shù)總結(jié)出來后感覺似曾相識，查閱歷史資料，發(fā)現(xiàn)4 A可控硅用于吊扇時，表現(xiàn)的特性極其相似，立即用BT134、BT136、T1235H驗證，測試全部通過，結(jié)果與設(shè)想完全相同。

福建省廈門市的一個可控硅生產(chǎn)廠家配合開發(fā)一款有泄放時間的Z0607（新），將其與市場上其它Z0607（舊）進行反向重復(fù)電壓測試和電快速瞬變脈沖群測試，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 Z0607泄放時間有和無的測試對比

從表2可以看出，采用有泄放時間的Z0607（新），能通過電快速瞬變脈沖群測試。

5 浪涌（SURGE）

5.1 失效機理

標準規(guī)定測試時必須取下浪涌保護器，因此浪涌應(yīng)力將通過市電連接線，無衰減地直接施加到電子元件。

如果控制器電源電路是BULK式開關(guān)電源，浪涌電壓施加到開關(guān)電源中的高壓電解電容和電源芯片內(nèi)部的MOS管，電容有兩端電壓不能突變的特性，故加到電容的浪涌信號在理論上將產(chǎn)生無限大的電流，導(dǎo)致電容損壞。

如果控制器電源電路是阻容元件組成，浪涌會穿透阻容元件，施加到低壓系統(tǒng)上，損壞低壓系統(tǒng)中的電解電容或MCU。

5.2 測試失敗表現(xiàn)

BULK式開關(guān)電源：高壓電解電容破裂。

阻容元件電源：低壓電解電容擊穿或MCU死機。

5.3 測試失敗常見原因

BULK式開關(guān)電源：高壓電解電容沒有限制浪涌電流的措施。

阻容元件電源：低壓系統(tǒng)沒有限制浪涌電流的措施、低壓電解電容自愈能力弱、MCU抗干擾能力弱。

5.4 設(shè)計應(yīng)對

BULK式開關(guān)電源：在高壓電解電容前端串聯(lián)PTC或線繞電阻，限制浪涌的峰值電流。

阻容元件電源：

方案1：阻容元件與低壓系統(tǒng)之間增加78/79系列三端穩(wěn)壓集成電路，由其承受浪涌應(yīng)力。

方案2：建立能通過測試的電解電容和MCU選型庫并從中選擇元件。

6 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾（CS）

6.1 失效機理

試驗信號發(fā)生器產(chǎn)生（0.15～80）MHz的信號，耦合至受試設(shè)備的市電電源線，然后進入控制系統(tǒng)，干擾系統(tǒng)的正常工作。

6.2 測試失敗表現(xiàn)

隨著試驗信號的頻率的步進遞增，至30 MHz時電機開始點動，至40 MHz時電機開始慢速轉(zhuǎn)動，至最高頻率時電機快速轉(zhuǎn)動，試驗信號消失時，電機停止轉(zhuǎn)動。

6.5 測試失敗常見原因

1）試驗信號全頻率范圍內(nèi)電機點動/慢速轉(zhuǎn)動：可控硅門極外圍觸發(fā)電路受干擾。

2）電機快速轉(zhuǎn)動：可控硅門極觸發(fā)所需電流過小。

3）觸發(fā)極G與腳T1短接時電機快速轉(zhuǎn)動：可控硅門極內(nèi)部觸發(fā)電路易受干擾。

6.6 設(shè)計應(yīng)對

試驗信號頻率高，可以用電容濾波，試驗表明這可以解決電機慢速轉(zhuǎn)動的失效。

電機快速轉(zhuǎn)動的失效，電容濾波一般不能解決，在嘗試各種外圍電路方案均失敗后，我們猜測所用的可控硅雖是國際一流品牌，但內(nèi)部觸發(fā)電路抗干擾能力弱。于是做了一個極端測試，將觸發(fā)極G與腳T1短接（見圖3），測試中可控硅也觸發(fā)導(dǎo)通，證明了猜想。

圖3 可控硅觸發(fā)極G短接測試

進一步測試，發(fā)現(xiàn)此品牌的可控硅實際觸發(fā)電流不到100 uA，干擾信號容易超過此值。查閱（0.8～1）A /600 V的各廠家規(guī)格書，都沒有規(guī)定最小觸發(fā)電流，即可以理解為廠家認為觸發(fā)電流越低越好。觸發(fā)電流低，適合低功耗應(yīng)用，但不適合新的家電標準。

我們讓廠家挑選一批最小觸發(fā)電流超過1 mA的樣品，測試全部通過。最終設(shè)計應(yīng)對匯總?cè)缦拢?/p>

1）可控硅外部門極觸發(fā)電路受干擾：觸發(fā)極G與腳T1間并聯(lián)濾波用瓷片電容，電容量為（1～100）nF。

2）可控硅門極觸發(fā)所需電流過小：可控硅門極觸發(fā)最小電流≥1 mA。

3）可控硅內(nèi)部門極觸發(fā)電路易受干擾：更換有技術(shù)積累的可控硅品牌。

7 總結(jié)

本文提供的待機狀態(tài)下電磁兼容測試的應(yīng)對設(shè)計用了近一年時間完善，已在上百個產(chǎn)品上驗證成功，設(shè)計簡潔有效，成本幾乎不增加。

電快速瞬變脈沖群測試的應(yīng)對，從發(fā)現(xiàn)電機的差異到分析出泄放時間的影響，需要電機和電子的跨專業(yè)配合，需要可控硅廠家的技術(shù)支持，因此，對應(yīng)標準升級，應(yīng)與認證機構(gòu)、供應(yīng)商多交流，合理利用外部資源。

射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾測試的應(yīng)對，因所用可控硅是國際一流品牌，且已用多年，問題沒有往可控硅上想，不停嘗試各種外圍電路，浪費了很多時間。這給我們的教訓(xùn)是，不要迷信國際品牌。