家用电器待机下电磁兼容测试的应对设计

戴修敏

（顺德区博为电器有限公司 佛山 528300）

引言

IEC 60335-1:2004 Household and similar electrical appliances - Safety - Part 1: General requirements[1]（中国标准对应是GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全第1部分 通用要求》[2]）增加了19.11.4待机状态下电磁兼容测试，测试等级/水平比工作状态高，一般称为“风险评估”测试。

测试通过的难易程度与家电类型紧密相关，例如采用双向可控硅（后面简称为可控硅）驱动小功率交流电机的家电产品（典型产品是电风扇）就不容易通过。产品认证从2006年开始执行此标准，到如今已有10多年，仍经常有厂家通不过测试。

本文以电风扇产品为例，详细说明测试失效的机理，提供系统的解决方案，为类似测试整改提供参考。

1 测试项目介绍

“风险评估”测试时，产品工作在待机状态，防浪涌装置要断开，测试等级/水平比正常测试至少高出一个等级，表1列出风险评估与正常测试的区别。

表1 风险评估与正常测试对比

表1中“风险评估”的要求从字面上看仅提升一个等级，实质上干扰强度的增加，已经大大超出了现有的设计，电路原理和部件规格均要有较大变化。

2 静电放电（ESD）

2.1 失效机理

静电枪产生测试电压后，靠近或接触测试位置，通过空气击穿或沿着部件表面，电荷到达电子线路，击毁电子元件，或让控制功能误动作。

2.2 测试失败表现

按键误动作，最坏状态是控制器被击穿损坏。

2.3 测试失败常见原因

1）发光二极管、红外接收器等电子元件裸露，静电枪可以直接接触。

2）按键、发光二极管、红外接收器上的贴膜与结构件有间隙，存在电荷传递路径。

2.4 设计应对

设计的目标是切断和加长电荷传递路径，推荐空气间距≥4 mm，爬电距离≥12 mm，采用以下任一方式均可，参见图1示例。

图1 静电放电的设计应对示意图（发光二极管例）

1）裸露的电子元件远离静电枪能接触的地方。例如，插件式LED加长胶体（增加爬电距离），元件与结构体表面平齐改为有一定距离（使静电枪头无法接触元件）。

2）电子元件上的贴膜与结构件紧密贴合（切断传递路径）。如果工艺不能保证贴合时无缝隙，可以考虑增大贴膜，使贴膜边缘至电子元件带电位置的距离≥12 mm。

3 射频电磁场辐射（RS）

3.1 失效机理

发射机发射（80～ 1 000）MHz的射频信号，电子元件抗辐射性能差或线路形成环路，产生的感应电压达到信号的阈值，就会让控制器误动作。

3.2 测试失败表现

按键误动作。

3.3 测试失败常见原因

PCB布线设计成环路。

3.4 设计应对

PCB布线切断环路，参见图2示例。

图2 射频电磁场辐射的设计应对示意图

4 电快速瞬变脉冲群（EFT）

4.1 失效机理

脉冲群信号的频率为5 kHz，峰值电压为4 kV，低频高压信号的能量高，易击穿电机控制元件—可控硅。当可控硅被击穿时，电机就会转动。滤波应选电抗，对于家电产品来讲成本和体积难以接受。

4.2 测试失败表现

待机状态时电机转动。

4.3 测试失败常见原因

可控硅被击穿。

4.4 设计应对

容易想到的应对方案是提高可控硅的反向重复电压，我们用800 V替换600 V做测试。测试数据表明约50 %的产品测试通过，另50 %的产品，即使反向重复电压达到1 kV，仍被击穿，而成本比600 V增加了2～3倍，继续提升反向重复电压已经不太现实。

在多次比对测试中发现一个规律，同一个电子控制方案，高性能电机（用铜量大、效率高等）一般都能通过脉冲群测试，早期数据量少，以为是PCB布线差异造成而忽略了。对于电子控制方案，电机负载就是一个电感，交流电机主电抗计算公式为：

式中：

f—工作频率；

μ0—真空磁导率；

m—相数；

N—每相匝数；

p—极对数；

q—每极每相槽数；

λm—主磁路的比磁导。

由公式可以看出，高性能电机因为用铜量大，电抗在一定范围内偏大。当电抗大时，如果可控硅被击穿，击穿电流上升慢，这产生两个结果。一个是击穿电流小，不足以使电机转动；另一个是脉冲群的能量通过击穿电流释放，使脉冲电压峰值迅速降低，从而停止击穿。因此得到可控硅的特殊参数要求：可控硅击穿时不能立即雪崩，要有泄放时间，以降低击穿电压。

小功率驱动采用的可控硅主要是0.8/1.0 A，它需要的特殊参数总结出来后感觉似曾相识，查阅历史资料，发现4 A可控硅用于吊扇时，表现的特性极其相似，立即用BT134、BT136、T1235H验证，测试全部通过，结果与设想完全相同。

福建省厦门市的一个可控硅生产厂家配合开发一款有泄放时间的Z0607（新），将其与市场上其它Z0607（旧）进行反向重复电压测试和电快速瞬变脉冲群测试，测试数据见表2。

表2 Z0607泄放时间有和无的测试对比

从表2可以看出，采用有泄放时间的Z0607（新），能通过电快速瞬变脉冲群测试。

5 浪涌（SURGE）

5.1 失效机理

标准规定测试时必须取下浪涌保护器，因此浪涌应力将通过市电连接线，无衰减地直接施加到电子元件。

如果控制器电源电路是BULK式开关电源，浪涌电压施加到开关电源中的高压电解电容和电源芯片内部的MOS管，电容有两端电压不能突变的特性，故加到电容的浪涌信号在理论上将产生无限大的电流，导致电容损坏。

如果控制器电源电路是阻容元件组成，浪涌会穿透阻容元件，施加到低压系统上，损坏低压系统中的电解电容或MCU。

5.2 测试失败表现

BULK式开关电源：高压电解电容破裂。

阻容元件电源：低压电解电容击穿或MCU死机。

5.3 测试失败常见原因

BULK式开关电源：高压电解电容没有限制浪涌电流的措施。

阻容元件电源：低压系统没有限制浪涌电流的措施、低压电解电容自愈能力弱、MCU抗干扰能力弱。

5.4 设计应对

BULK式开关电源：在高压电解电容前端串联PTC或线绕电阻，限制浪涌的峰值电流。

阻容元件电源：

方案1：阻容元件与低压系统之间增加78/79系列三端稳压集成电路，由其承受浪涌应力。

方案2：建立能通过测试的电解电容和MCU选型库并从中选择元件。

6 射频场感应的传导骚扰（CS）

6.1 失效机理

试验信号发生器产生（0.15～80）MHz的信号，耦合至受试设备的市电电源线，然后进入控制系统，干扰系统的正常工作。

6.2 测试失败表现

随着试验信号的频率的步进递增，至30 MHz时电机开始点动，至40 MHz时电机开始慢速转动，至最高频率时电机快速转动，试验信号消失时，电机停止转动。

6.5 测试失败常见原因

1）试验信号全频率范围内电机点动/慢速转动：可控硅门极外围触发电路受干扰。

2）电机快速转动：可控硅门极触发所需电流过小。

3）触发极G与脚T1短接时电机快速转动：可控硅门极内部触发电路易受干扰。

6.6 设计应对

试验信号频率高，可以用电容滤波，试验表明这可以解决电机慢速转动的失效。

电机快速转动的失效，电容滤波一般不能解决，在尝试各种外围电路方案均失败后，我们猜测所用的可控硅虽是国际一流品牌，但内部触发电路抗干扰能力弱。于是做了一个极端测试，将触发极G与脚T1短接（见图3），测试中可控硅也触发导通，证明了猜想。

图3 可控硅触发极G短接测试

进一步测试，发现此品牌的可控硅实际触发电流不到100 uA，干扰信号容易超过此值。查阅（0.8～1）A /600 V的各厂家规格书，都没有规定最小触发电流，即可以理解为厂家认为触发电流越低越好。触发电流低，适合低功耗应用，但不适合新的家电标准。

我们让厂家挑选一批最小触发电流超过1 mA的样品，测试全部通过。最终设计应对汇总如下：

1）可控硅外部门极触发电路受干扰：触发极G与脚T1间并联滤波用瓷片电容，电容量为（1～100）nF。

2）可控硅门极触发所需电流过小：可控硅门极触发最小电流≥1 mA。

3）可控硅内部门极触发电路易受干扰：更换有技术积累的可控硅品牌。

7 总结

本文提供的待机状态下电磁兼容测试的应对设计用了近一年时间完善，已在上百个产品上验证成功，设计简洁有效，成本几乎不增加。

电快速瞬变脉冲群测试的应对，从发现电机的差异到分析出泄放时间的影响，需要电机和电子的跨专业配合，需要可控硅厂家的技术支持，因此，对应标准升级，应与认证机构、供应商多交流，合理利用外部资源。

射频场感应的传导骚扰测试的应对，因所用可控硅是国际一流品牌，且已用多年，问题没有往可控硅上想，不停尝试各种外围电路，浪费了很多时间。这给我们的教训是，不要迷信国际品牌。