电快速瞬变脉冲群（EFT）抗扰度是一种通用性强、测试方便、能高效暴露风险的EMS测试项目——通过模拟电网拉弧产生的一系列快速高压尖峰脉冲来评估产品对瞬态高压耐受能力同时暴露产品对瞬态射频电场的耐受风险。本文对EFT脉冲的能量和频谱进行了分析和实测，对EFT耦合产生的电场进行了评估，对工程中较为实用的近场探头电场注入、直接注入进行了介绍，并推荐利用波形发生器模拟EFT脉冲直接注入的诊断分析方法和EFT防护器件的实测方法供大家在EMC开发中参考。

一、 EFT的评估与频谱测量

干扰脉冲的严酷程度可以从频谱幅值、频谱宽度、频谱密度、功率谱等维度来进行评估，所以进行EFT问题诊断分析首先需要了解EFT脉冲的能量等级和频谱分布。

1.1 EFT的能量等级和严酷程度分析

EFT脉冲的参数由基础标准IEC61000-4-4定义，EMC测试机构的EFT发生器校准结果要符合标准要求从而保证测试结果重复性和可靠性。

图1 EFT标准发生器和波形

图2 EFT实际校准波形

从图1 EFT标准中的发生器原理构造和EFT标准波形可以看出EFT属于典型的高电压（0-4kV），短时瞬发(5/50nS)，内阻较大(50Ω)且仅采用共模注入的抗扰度测试。EFT测试每秒输出250个脉冲，单个脉冲能量集中在50纳秒以内，脉冲能量可以精确计算也或利用示波器进行测量，也可以简化为三角形计算：以2kV为例，单脉冲峰值功率； 单脉冲能量；脉冲群平均能量为：。因此EFT是一种瞬态峰值功率很大但脉冲能量和总能量较小的干扰，破坏性不强，但是并不意味着EFT干扰能力弱，EFT的瞬态的干扰能量以高频电场的形式发射到电磁环境的，需要从EFT频谱分布来评估EFT脉冲真实干扰能力。

1.2 EFT频谱的宽度分析

注入信号频谱的宽度是抗扰度测试中非常重要的参数，EMS抗扰度测试使用不同的注入测试方法来注入不同的干扰频谱，如传导抗扰度测试150kHz-80MHz的连续波适合使用耦合去耦网络直接对线缆注入，对于辐射抗扰度测试对于80MHz以上的信号则采用天线电场注入。EMS信号频率越高空间耦合能力越强对受测设备的内部影响也越大。我们以80MHz为参考分界判断干扰的的主要传输路径，80MHz以下线缆传输稳定，而80MHz以上空间的发射更复杂，因此评估EFT对受测设备的干扰耦合方式和强度要对EFT干扰频谱的幅度和宽度进行分析，我们可以利用脉冲波形的傅里叶变换近似计算来评估。

图3 周期信号波形与频谱的关系

由图3周期信号波形与频谱的关系我们可以推导出EFT脉冲重复率5k或者100kHz对低次频谱有影响，但频谱的宽度主要由脉冲宽度和上升下降时间决定，因此脉宽TH =50nS决定EFT脉冲的频谱第一转折点，上升下降时间tr =5nS决定第二转折点64MHz，计算500V EFT脉冲在第一转折点6.4MHz之前的低次谐波幅值为：（按三角波近似计算），因此64MHz为108dBµV（10倍频降低20dB）, 640MHz有 68dBµV（10倍频降低40dB）。理论推导出EFT脉冲的频谱非常宽，但我们还需要通过实测来验证。

1.3 EFT频谱的实测

     对于EFT频谱的实测，示波器量能够测量EFT脉冲波形但不能输出频谱，频谱仪能够输出频谱但不能耐受瞬态高压，因此我们需要利用高压同轴衰减器将EFT信号衰减到一定程度才能送入频谱仪进行EFT频谱实测，以下是EFT频谱测试布置和衰减器校准布置。

图4 EFT的频谱测量与衰减器校准

图4的左图我们利用20dB 50W衰减器进行第一级衰减，利用20dB 5W衰减器进行第二级衰减， 500V EFT信号经过40dB衰减（100倍）和50Ω内阻分压之后峰值电压为2.5V，可以用示波器和频谱分析仪直接测量EFT的时域波形和频谱波形。图4的右图中两个衰减器组合的校准系数为-40dB，因此我们需要对频谱分析仪得到的频谱进行40dB补偿。

图5 500V EFT衰减40dB后的测量频谱

图5的频谱经过40dB的衰减，我们进行补偿之后可以得到500V EFT脉冲100kHz的频谱低次谐波幅值为128dBµV，第一转折点6.4M幅值118dBµV，第二转折点64MHz幅值低20dB，为98dBµV, 考虑50Ω的分压6dB，实测结果幅值与我们的理论分析值接近。更高的EFT电压会使得频谱幅值相应上升，会使得64-640MHz辐射频段的幅值相应上升。因此实测结果与理论分析都表明EFT脉冲高频成分丰富，而高频能量并不依赖沿线缆传播还可以通过空间直接发射，因此在EFT测试并不仅仅是线缆的共模注入还必定伴有高频电场干扰。

1.4 利用天线对EFT的电场频谱和强度进行测量

对EFT干扰电场进行实测有利于我们更直观评估EFT的干扰能力。EFT注入可以采用CDN对50cm长的电源线缆进行直接注入，也可以用容性耦合夹对信号线缆进行耦合注入，两种方式EFT脉冲都能产生相应的高频电场。这里我们采用容性耦合夹耦合来对EFT的耦合能力和产生的电场进行评估。

图6 EFT耦合电场的测量布置和实测数据

如上图6左图所示，EFT脉冲发生器通过容性耦合夹对长度3米放置在0.8米木桌上两端下垂的金属线缆进行耦合，线缆辐射出的EFT电场被距离3米的双锥天线接收并由EMI接收机测量。图6右图是实测500V ETF信号通过标准100p容性耦合夹耦合能在3米距离30-500MHz频段产生最大80dBuV/m的电场，可以看出EFT的耦合能力、干扰电场强度很强同时频谱范围很宽。EFT实际测试中注入等级更高EUT距离更近因此EFT电场干扰更强，因此很多EFT问题中不但要考虑沿线缆的注入还需要考虑由于电缆发射而产生的电场干扰，尤其没有金属屏蔽的产品需要特别注意EFT电场对内部电路的直接干扰。

二、 EFT问题的诊断分析方法

通过对EFT的脉冲能量、频谱、耦合能力、电场强度的分析和测试我们可以知道EFT干扰主要分沿线缆传导的共模干扰和通过线缆产生的电场直接耦合两种方式。大部分的EFT问题是第一类的干扰，可以通过优化滤波的方式进行处理，如修改滤波器参数，优化走线位置或增加线缆磁环等方法在测试现场快速进行优化和处理，第二类干扰问题出现较少但是分析难度却是最大的，EFT电场对内部敏感电路产生干扰在缺乏分析工具辅助的情况下很难快速有效解决。

复杂的EFT干扰问题的诊断分析依赖于干扰敏感点的定位，因此将EFT信号施加到PCB近场通过复现干扰现象来定位特定电路点是解决EFT问题的关键。目前行业内常利用EFT发生器或EFT模拟源配合近场探头进行电磁场注入进行诊断分析，由于探头不接触电路因此相对安全，但探头的特性对近场电场强度和频谱有很大影响并不能确保复现问题，因此另外一类直接注入的方法也被开发用于EFT问题的诊断分析。直接注入的方法可以利用EFT发生器配合衰减器进行直接注入，也可以利用波形发生器进行模拟EFT频谱进行直接注入，在PCB板级EFT问题的诊断分析上很大的优势。

2.1利用近场探头进行近场注入

当实验室EFT测试现场出现EFT问题时，可以采用EFT发生器配合高衰减的近场探头进行近场注入这种简便方法来快速探测薄弱点，在很多情况下可以快速诊断分析问题。这种应用下并不需要对探头的耦合能力和注入电场强度进行控制，只需要提高EFT注入电压来确保近场注入复现问题，但如果需要深入扩展这个方法的应用就需要对探头的耦合能力和实际注入的频谱范围和场强等级进行测量。

图7 利用近场探头注入和注入频谱结果

图7左图是利用一组相同的高阻近场探头来进行EFT注入同时进行频谱测量，右图可以看出500V的注入得到了约40dBuV的电压频谱信号，频谱宽度和包络与预期相符。通过测量探头的衰减系数，我们就能补偿系数从而得到探头实际注入的电场强度。

图8 近场探头的耦合系数校准和耦合系数

图8左图是利用网络分析仪对该组近场探头耦合系数进行校准的测试布置，右图是实际S21测试数据，该对数差值除2即为单个探头的耦合系数。以10MHz为例，探头系数为30dB（60/2），频谱读值35dBuV, 表明该探头能够将500V EFT脉冲注入到接触点的电路中耦合出65dBuV干扰电压。为保护 EFT发生器，近场注入探头需要采用高阻电场探头，不建议接入未知阻抗的探头，但是50Ω的同轴衰减器可以直接匹配EFT输出，因此可以利用同轴衰减这种方法进行注入。

2.2 利用高压衰减器进行直接注入的电路分析方法

利用EFT干扰进行直接注入可以获得更高的注入电平和更精确的敏感电路判断，因此诊断分析的效率更高，可以作为解决EFT抗扰度问题的通用方法。但EFT信号高电压脉冲会损毁电路器件，因此不能直接注入到电路PCB板，需要使用高压衰减器对进行衰减和隔离之后才可以对电路进行注入，而且为了保证发生器和电路安全也只能采用共模注入的方式。实际应用可以采用40dB-60dB的高压衰减器对EFT信号进行衰减并利用隔离电容进行隔离之后对PCB板级电路进行共模直接注入，这种方法在研发工作环境下有很高的诊断分析效率，但所需的专业设备和辅助工具较多实施也较为复杂，在此不做详细介绍，而利用波形发生器进行直接注入的方法更为简便安全，可以作为参考。

2.3利用波形发生器进行直接注入的电路分析方法

波形发生器可以模拟EFT脉冲波形，并且输出也在小信号电路的安全电压范围，同时很容易实现接地隔离，在成本、便利性、安全性上有很大优势。波形发生器采用100kHz方波脉冲，调整占空比使得脉宽50nS，将上升下降时间调到5nS即可模拟出EFT的频谱，而10mVpp值的输出就能达到80dBµV的注入电压，因此能够模拟注入非常高的EFT干扰能量确保复现干扰现象。利用示波器和频谱仪确认波形和频谱模拟正常之后就可以参考以下布置示意图进行PCB电路的EFT问题诊断分析。

图9  波形发生器模拟EFT脉冲频谱进行直接注入

图9的示意图中波形发生器输出端接3-10dB的衰减器可以提供部分双向过压保护，隔离电容可以先择EFT标准中采用的22nF电容对直流电压进行隔离，接入金属探针就能对电路内部进行注入探测，并且可以同步利用电流探头和频谱仪确认脉冲注入正常。

由于复杂的EFT干扰问题都是内部小信号电路受到干扰产生的，因此通过这个方法可以快速复现并定位电路内部对于EFT脉冲的敏感电路，如芯片电源，时钟信号，复位信号，同步信号，控制电路, 电压电流采样,保护采样, 反馈控制电路，驱动信号,通讯电路等，通过逐步降低注入等级直到找到最终最敏感的源头并且进行设计的优化和确认。EFT问题的诊断分析中的各种实践方法中只有这种方法直接针对系统中最薄弱的敏感点，通过优化短板提高系统整体的抗扰能力，同时这种方法并不依赖实验室EFT发生器资源只需要常见的硬件设备工具就能在研发场地进行诊断分析和优化，能够可以让工程师从容调配资源应对从而减小研发成本、项目进度、测试资源等压力。由于利用波形发生器进行EFT频谱直接注入的方法搭建便利、诊断效率高、且非常安全，因此可以作为EFT干扰类问题的通用解决方法。

2.4利用天线进行近场电场注入复现问题的方法

由于EFT频谱存在大量的30MHz以上的高频分布，且EFT发生器的内阻能够与天线的阻抗匹配，因此EFT脉冲天然就具备利用天线进行直接电场注入的条件，所以我们可以利用天线直接注入对大型复杂系统进行现场的EFT预测试和诊断分析。

图10 EFT电场注入和用于EFT电场注入天线的校准数据

图10左图是使用注入天线进行EFT电场注入的校准布置。EFT注入使用的双锥天线需要对阻抗进行匹配设计以保证注入效率，图10右图是使用网络分析仪比对测试了EFT注入的天线和测量天线R&S HK116的电压驻波比参数和两组天线的场地衰减系数的实测数据，可以看出EFT注入天线在30-80MHz频段的VSWR要更优，能够更高效将EFT高频能量发射出去从而建立干扰电场。

图11 400V EFT 注入双锥天线在3米距离产生的场强

图11是利用HK116测试得到400V EFT信号通过EFT注入天线在3米测试距离上产生的达到80dBµV/m电场，说明这个天线能够利用EFT的高频能量建立一个很强的宽频干扰电场。由于移动注入天线的位置和距离可以改变EFT注入的电场强度，因此也可以利用这种方法来分析大型系统EFT敏感部件的大致位置，这种EFT天线电场注入的方法可以作为大型复杂系统EFT预测试和诊断分析的一种备用方法。

三、 EFT防护器件的防护性能实测方法

EFT问题的诊断分析中防护器件的真实表现也是诊断分析和设计中非常重要的参考信息。可以参考以下方法对各种相关器件进行EFT防护性能的实测。

图12 EFT防护器件的性能实测方法示意图

图12是利用EFT信号发生器、带衰减器的示波器、50欧的同轴夹具组成的EFT防护器件的插入损耗测试系统的示意图。这个测试方法可以对滤波器、电感磁环、电容、TVS、MOV、ESDA等器件的EFT响应进行实测，以下以TVS为例。

a.1000V 初始ETF信号

b.插入TVS吸收之后的接收到的信号

图13 双向TVS对500VEFT的吸收效果

TVS器件是常见的电压钳位器件，常用于关键信号过压保护，也用于EFT防护电路的共模脉冲抑制。图13左图是1000V EFT信号的初始波形，右图是插入标称100V TVS之后的EFT残压波形，可以看出TVS对脉冲群中的每一个脉冲信号都能够快速响应并且将峰值电压由1000V钳位到100V。不同的器件会有不同的EFT响应，通过对器件的EFT性能实测能够为相应的电路设计提供指导（后续再对该部分进行详细介绍）。

小结

波形、频谱的分析和实测表明EFT是一种破坏性弱但干扰能力很强的共模脉冲干扰，能够通过线缆沿端口电路向内传导共模电压，也可以通过空间辐射高频电场直接对内部信号处理电路产生干扰，因此我们在工程实践中需要注意以下几点：

1. EFT能量在1W以下，直接损坏器件的可能性较小，器件损坏失效性原因应优先考虑干扰导致误动作损坏而不是直接EFT击穿损坏；

2. 直接承受EFT能量的器件和电路抗EFT低频共模干扰能力都很强，如输入滤波器对于EFT传导频段的干扰有很强的抑制能力，但EFT高频干扰耦合和转换能力很强，需要通过高频抑制来提高EFT抗扰能力，如滤波器高频抑制不足时可以在内部线缆上增加镍锌材质磁环提升高频共模抑制能力，这是常用的解决沿线缆的的高频EFT干扰问题的方便有效手段；

3. EFT需要通过注入线缆作为天线来产生干扰电场，因此将长度过长的线缆控制在标准要求的50cm长度能够降低产生的电场干扰，将线缆贴近接地参考面也能有效减小EFT干扰电场，因此在EFT测试中合理裁剪输入电缆长度和合理布置走线也可以作为潜在的规避测试问题的手段；

4. EFT的电场干扰需要通过电场屏蔽来抑制，因此无屏蔽的产品需要在设计之初就考虑对EFT电场的抗扰能力。

当出现EFT难题时（采用端口滤波和线缆增加共模磁环或屏蔽优化不能解决），往往意味着板级小信号电路存在EFT干扰信号的敏感点，需要找到敏感电路源头才能解决此类问题。定位敏感电路源头常用的方法是近场注入和直接注入，其中利用波形发生器进行直接注入的分析方法相对近场注入方法在便捷性和效率上有优势，可以做为EFT问题诊断分析的通用方法。另外对EFT防护器件的性能实测也能为EFT设计和优化提供参考。