家用電器待機下電磁兼容測試的應對設計

戴修敏

（順德區博為電器有限公司 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待機狀態下電磁兼容測試，測試等級/水平比工作狀態高，一般稱為“風險評估”測試。

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

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

1 測試項目介紹

“風險評估”測試時，產品工作在待機狀態，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列出風險評估與正常測試的區別。

表1 風險評估與正常測試對比

表1中“風險評估”的要求從字面上看僅提升一個等級，實質上干擾強度的增加，已經大大超出了現有的設計，電路原理和部件規格均要有較大變化。

2 靜電放電（ESD）

2.1 失效機理

靜電槍產生測試電壓后，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

按鍵誤動作，最壞狀態是控制器被擊穿損壞。

2.3 測試失敗常見原因

1）發光二極管、紅外接收器等電子元件裸露，靜電槍可以直接接觸。

2）按鍵、發光二極管、紅外接收器上的貼膜與結構件有間隙，存在電荷傳遞路徑。

2.4 設計應對

設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 靜電放電的設計應對示意圖（發光二極管例）

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），元件與結構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構件緊密貼合（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

發射機發射（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路，產生的感應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

按鍵誤動作。

3.3 測試失敗常見原因

PCB布線設計成環路。

3.4 設計應對

PCB布線切斷環路，參見圖2示例。

圖2 射頻電磁場輻射的設計應對示意圖

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，電機就會轉動。濾波應選電抗，對于家電產品來講成本和體積難以接受。

4.2 測試失敗表現

待機狀態時電機轉動。

4.3 測試失敗常見原因

可控硅被擊穿。

4.4 設計應對

容易想到的應對方案是提高可控硅的反向重復電壓，我們用800 V替換600 V做測試。測試數據表明約50 %的產品測試通過，另50 %的產品，即使反向重復電壓達到1 kV，仍被擊穿，而成本比600 V增加了2～3倍，繼續提升反向重復電壓已經不太現實。

在多次比對測試中發現一個規律，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，早期數據量少，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—真空磁導率；

m—相數；

N—每相匝數；

p—極對數；

q—每極每相槽數；

λm—主磁路的比磁導。

由公式可以看出，高性能電機因為用銅量大，電抗在一定范圍內偏大。當電抗大時，如果可控硅被擊穿，擊穿電流上升慢，這產生兩個結果。一個是擊穿電流小，不足以使電機轉動；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。

小功率驅動采用的可控硅主要是0.8/1.0 A，它需要的特殊參數總結出來后感覺似曾相識，查閱歷史資料，發現4 A可控硅用于吊扇時，表現的特性極其相似，立即用BT134、BT136、T1235H驗證，測試全部通過，結果與設想完全相同。

福建省廈門市的一個可控硅生產廠家配合開發一款有泄放時間的Z0607（新），將其與市場上其它Z0607（舊）進行反向重復電壓測試和電快速瞬變脈沖群測試，測試數據見表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

標準規定測試時必須取下浪涌保護器，因此浪涌應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式開關電源，浪涌電壓施加到開關電源中的高壓電解電容和電源芯片內部的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生無限大的電流，導致電容損壞。

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，施加到低壓系統上，損壞低壓系統中的電解電容或MCU。

5.2 測試失敗表現

BULK式開關電源：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 設計應對

BULK式開關電源：在高壓電解電容前端串聯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之間增加78/79系列三端穩壓集成電路，由其承受浪涌應力。

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 射頻場感應的傳導騷擾（CS）

6.1 失效機理

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

6.2 測試失敗表現

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時電機開始慢速轉動，至最高頻率時電機快速轉動，試驗信號消失時，電機停止轉動。

6.5 測試失敗常見原因

1）試驗信號全頻率范圍內電機點動/慢速轉動：可控硅門極外圍觸發電路受干擾。

2）電機快速轉動：可控硅門極觸發所需電流過小。

3）觸發極G與腳T1短接時電機快速轉動：可控硅門極內部觸發電路易受干擾。

6.6 設計應對

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動的失效。

電機快速轉動的失效，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，但內部觸發電路抗干擾能力弱。于是做了一個極端測試，將觸發極G與腳T1短接（見圖3），測試中可控硅也觸發導通，證明了猜想。

圖3 可控硅觸發極G短接測試

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

我們讓廠家挑選一批最小觸發電流超過1 mA的樣品，測試全部通過。最終設計應對匯總如下：

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

2）可控硅門極觸發所需電流過小：可控硅門極觸發最小電流≥1 mA。

3）可控硅內部門極觸發電路易受干擾：更換有技術積累的可控硅品牌。

7 總結

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

電快速瞬變脈沖群測試的應對，從發現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配合，需要可控硅廠家的技術支持，因此，對應標準升級，應與認證機構、供應商多交流，合理利用外部資源。

射頻場感應的傳導騷擾測試的應對，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。這給我們的教訓是，不要迷信國際品牌。