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GR-1089-CORE对雷击浪涌测试及波形发生器的_要求

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GR-1089-CORE对雷击浪涌测试及波形发生器的_要求

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GR-1089-CORE 对雷击浪涌测试及波形发生器的要求 上海三基电子工业有限公司 付裕 李刚 注:此文发表于《安全与电磁兼容》杂志 2008 年第三期 http://www.semc.cesi.cn/gqml.asp?PageNo=1&subyear=2008&suborder=3 摘要 NEBS 认证中关于电磁兼容性和电气安全要求主要体现在 GR-1089-CORE 上。本文着重介绍 了 GR-1089-CORE 对雷击浪涌测试的要求,并根据 GR-1089-CORE 对雷击浪涌发生器输出 特性的要求探讨了雷击浪涌发生器的设计。 关键词 NEBS;GR-1089-CORE;EMC;雷击浪涌发生器 Abstract About electromagnetic compatibility and Electrical Safety requirement in NEBS certification mainly represents on GR-1089-CORE .This article mainly introduce the requirement of GR-1089-CORE to lighting surge generator ,moreover, it discussed the design of lighting surge generator according to the requirement of GR-1089-CORE to the output characteristic of lighting surge generator. Keywords NEBS;GR-1089-CORE;EMC;Lightning Surge Generator 1 NEBS 简介 NEBS (Network Equipment-Building System)网络设备构建系统是贝尔实验室在 20 世纪 70 年代提出的,并于 1995 年形成 NEBS 标准,旨在帮助电话设备制造商以较低的成本设计 出符合要求的电信通讯设备,同时又能保证设备的可靠性和安全性。时至今日,它已经发展 到一组规定电信环境中电信级设备可操作性的规范和测试标准。NEBS 认证不仅为全美主要 电信业者所奉行,连欧洲也逐渐导入该文件。 2 GR-1089-CORE 对雷击浪涌测试的要求 GR-1089-CORE 是 NEBS 认证中关于网络设备电磁兼容性和电气安全的标准,它是评 定通信设备在遭受到高能量脉冲干扰时的抗干扰能力的通用标准。 通讯设备的电缆或线对可能会遭受到来自于雷电和工业电力干扰的浪涌冲击,尽管在 通讯网络中有限制雷电和电力浪涌冲击的保护设备,但是这些冲击或者干扰还是会对通讯设 备造成一定的影响。 2.1 共模浪涌与差模浪涌 GR-1089-CORE:Electromagnetic Compatibility and Electrical Safety-Generic Criteria for Network Telecommunications Equipment 定义共模浪涌为通讯设备中 Tip 以及 Ring 对地电压 差之和的一半,定义差模浪涌为 Tip 和 Ring 之间的电压差。 雷击浪涌的电流在没有保护器动作的情况下,对于平衡终端设备和通讯环绕线来说,只 能导致 Tip 或 Ring 对地产生一个相同的电压,因此不会产生差模浪涌;另外,保护器若能 同时动作也不会产生差模浪涌,但是通讯环线的共模激励可能会由于通讯线路上器件参数的 分散性而导致部分转换成差模浪涌。最后,当一对导体上的保护器件,由于不对称的动作, 也将导致共模浪涌转换成差模浪涌。 2.2 雷击浪涌发生器与通讯端口的连接方式 1 表 1 描述了两端口或四端口的被测设备与发生器的连接方式。 表 1 雷击浪涌发生器与被测设备连接方式 测试种类 两端口 四端口 1.Tip 接发生器,Ring 接地 1.Tip 接发生器,Ring、tip1、Ring1 接地 2. Ring 接发生器,Tip 接地 2. Ring 接发生器,Tip、tip1、Ring1 接地 3. 无应用 A 4. 无应用 3. Tip1 接发生器,Ring、tip、Ring1 接地 4. Ring1 接发生器,Tip、Ring、tip1 接地 5. Tip 和 Ring 同时接发生器 5.Tip 和 Ring 接发生器,tip1 和 Ring1 接地 6. 无应用 B Tip 和 Ring 同时接发生器 6. tip1 和 Ring1 接发生器,Tip 和 Ring 接地 Tip、Ring、tip1 和 Ring1 同时接发生器 两端口的被测设备与发生器的连接示意图如图 1 所示,被测设备做共模实验和差模实验 时可以通过图 1 中 S1~S4 的闭合和断开来实现,具体的开关状态见表 2。四端口的被测设备 与发生器的连接较图 1 增加 Tip1 和 Ring1 两个被测端口,共模测试和差模测试的接法类似 于两端口的测试连接。 波形发生器 Tip S1 S2 限流电阻 被 Ring 试 品 S3 S4 高压源 G 图 1 两端口的网络设备与雷击浪涌发生器的连接示意图 表 2 两端口被测设备差模和共模测试时的开关状态 S1 S2 S3 S4 Tip 接发生器,Ring 接信号地 (表 1 中的 A1) 闭合 断开 断开 闭合 Ring 接发生器,Tip 接信号地 (表 1 中的 A2) 断开 闭合 闭合 断开 Tip 和 Ring 同时接发生器 (表 1 中的 A5) 闭合 断开 闭合 断开 2.3 GR-1089-CORE 对雷击浪涌测试的要求 GR-1089-CORE 中对室外通讯端口、AC 电源端口,以及同轴端口都有第一级、第二级 浪涌测试要求。第一级测试要求结束后被测设备不应被损坏而且应能正常工作。第二级测试 要求结束后设备不损坏、不起火、不破碎或没有安全性危险。 2.3.1 通讯端口雷击浪涌测试要求 通讯端口雷击浪涌测试时需要移开主保护器,具体测试等级见表 3 和表 4。若被测设备 是用于不与户外设备相连或者不可能置于室外使用的室内通讯端口时应参照表 5 的测试要 求;若被测设备通过表 3 和表 4 的测试要求,则不需要进行表 5 的测试;如果室内通讯电缆 是两端都接地的屏蔽线时也不要求做表 5 的测试。 2 表 3 通讯端口第一级雷击浪涌测试 浪涌 最小峰值电压(V) 每根导体上最小峰值 电流(A) 最大上升时间/最 每极性重 小延迟时间(μs) 复次数 1 ±600 100 10/1000 25 2 ±1000 100 10/360 25 3① ±1000 100 10/1000 25 4 ±2500 500 2/10 10 5 ±1000 25 10/360 5 注:①浪涌 3 可以代替浪涌 1 和浪涌 2 ②此测试要求所有的被测线同时接有关的地,并且最高可接 24 个导体进行测试 测试连 接方式 参见表 1 的 A 参见表 1 的 A 参见表 1 的 A 参见表 1 的 B 注② 表 4 通讯端口第二级雷击浪涌测试 浪涌 最小峰值电压(V) 每根导体上最小峰值 电流(A) 最大上升时间/最 每极性重 小延迟时间(μs) 复次数 测试连 接方式 1 ±5000 500 2/10 1 参见表 1 的 B 表 5 室内通讯端口雷击浪涌测试 浪涌 每根导体上最小峰值 最小峰值电压(V) 电流(A) 最大上升时间/最 每 极 性 小延迟时间(μs) 重 复 次 数 测试连 接方式 1 ±800 100 2/10 2 ±1500 100 2/10 注:①对于两线系统,浪涌 1 在连接方式上只需要 A1 和 A2 两种即可 2.3.2 交流端口雷击浪涌测试要求 参见表 1 的 1 A1,A2,A3,A4① 1 参见表 1 的 B 交流端口雷击浪涌测试(见表 6 和表 7)的测试方法和 IEC61000-4-5 是相同的,只不 过 GR-1089-CORE 测试的严酷度更高。测试分两个等级,第一级雷击浪涌测试电压为 2KV, 第二级雷击浪涌测试电压为 6KV。 表 6 交流端口第一级雷击浪涌测试 浪涌 电压峰值(V) 电流峰值(A) 电压波上升时间/延 迟时间(μs) 每极性重复次数 电流波上升时间/延迟 时间(μs) 1 ±2000 1000 1.2/50 4 8/20 表 7 交流端口第二级雷击浪涌测试 浪涌 1 2.3.3 峰值电压(V) 电流峰值(A) 电压波上升时间/延 迟时间(μs) ±6000 3000 1.2/50 同轴端口雷击浪涌测试要求 每极性重复次数 1 电流波上升时间/延迟 时间(μs) 8/20 GR-1089-CORE 中规定如果采用同轴线缆与室外设备进行通讯的宽带设备必须进行同 轴端口雷击浪涌测试(见表 8 和表 9),设备有可能采用内部保护装置或者外部保护装置。 对于只使用内部保护装置的设备,给定的实验电压应该选取比内部保护装置的最高限值电压 稍低的等级做测试。如果使用了外部保护装置的设备,则浪涌 1 不适用于外部保护装置,应 该选取比外部保护装置的最高限值电压稍低的等级做测试。 表 8 同轴端口第一级雷击浪涌测试 浪涌 最小峰值电压(V) 每根导体上最小峰值 电流(A) 最大上升时间/最小延 迟时间(μs) 每极性重复次数 1 ±1000 100 10/1000 25 2 ±2000 1000 10/250 5 表 9 同轴端口第二级雷击浪涌测试 浪涌 1 最小峰值电压(V) ±4000 每根导体上最小峰值 电流(A) 2000 最大上升时间/最小延 迟时间(μs) 10/250 每极性重复次数 1 3 3 GR-1089-CORE 对雷击浪涌发生器输出特性的要求 在第 2.3.2 小节里描述的测试中交流端口雷击浪涌测试的波形和 IEC 规定的一样,在此 不再做叙述,其他的浪涌波形不同于 IEC61000-4-5 中规定的波形。 3.1 波形参数的定义 GR-1089-CORE 中电压波和电流波上升沿的定义都是从 10%幅值处到 90%幅值处的时 间乘上系数 1.25,脉宽的定义和 IEC 中规定的一样,都是如图 2 中的(T2-T0)。 峰值 90%峰值 上升时间=1.25(b-a)=T1-T0 延迟时间=T2-T0 50%峰值 10%峰值 a b 图 2 电压/电流波形 3.2 电压波和电流波的参数要求 GR-1089-CORE 中要求开路输出电压波的上升沿和脉宽要和短路时输出电流波的上升 沿和脉宽一致,具体公差范围见表 10。 表 10 波形参数容许公差范围 2/10 10/250 10/360 10/1000 浪涌 开路电压 短路电流 开路电压 短路电流 开路电压 短路电流 开路电压 短路电流 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升时间 延迟时间 上升/延迟时间公差(μs) 0 ~-1.0 0 ~+7.5 0 ~-1.0 0 ~+7.5 0 ~-6.0 0 ~+150 0 ~-3.0 0s~+50 0~-2.5 0~+108 0~-2.5 0~+108 0~-4.0 0~+500 0~-4.0 0~+500 幅值公差(%) 0~20 0~20 0~16 0~16 0~15 0~15 0~15 0~15 3.3 同一种波形中有不同的内阻 在 2/10 的波形中有 25000V/500A、800V/100A、5000V/500A 和 1500V/100A,这就相 当于分别有 5Ω、8Ω、10Ω和 15Ω的内阻,这四种不同的内阻对应于发生器内部四组不同 的限流电阻,在 10/250、10/360 和 10/1000 的波形中也有类似这种不同的内阻对应于不同的 限流电阻的情况。 3.4 雷击浪涌发生器的校验程序 GR-1089-CORE 要求雷击浪涌发生器能够输出一路、两路和四路的波形,并且每路输出 都需要校验,图 3 是三端口的发生器(两个输出端口和一个回流端口)端口配置示意图,表 11 描述了在校验三端口发生器中需要记录的数据(表格中划—的不用记录),具体校验程序 如下: 4 R1 Output1 I1 R2 Output2 I2 V1 V2 Return 图 3 三端口的雷击浪涌发生器 表 11 发生器校验时数据记录表(只适用于三端口的发生器) Output1 Output2 V1 V2 I1 I2 开路 开路 — — 开路 短路 — — 短路 开路 — — 短路 短路 — — ◆在 Output1 和 Output2 都开路的情况下,分别测量 V1 和 V2 ◆在 Output1 开路,Output2 短路的情况下,分别测量 Output1 输出的电压 V1 和流过 Output2 的电流 I2 ◆在 Output1 短路,Output2 开路的情况下,分别测量 Output2 输出的电压 V2 和流过 Output1 的电流 I1 ◆在 Output1 和 Output2 都短路的情况下,分别测量 I1 和 I2 两端口发生器(仅一个输出端口和一个回流端口)和五端口发生器(四个输出端口和 一个回流端口)的检验程序同三端口的检验程序类似。 4 雷击浪涌发生器的设计 根据标准对雷击浪涌发生器输出特性的要求,发生器需要有五种波形输出,即:2/10、 10/250、10/360、10/1000 和 1.2/50。2/10 的原理图(三端口)如图 4 所示, K L R2 Output1 R3 Output2 c R1 Return 图 4 三端口的 2/10 雷击浪涌发生器 关于雷击浪涌发生器的设计可以这样考虑: 设贮能电容上的充电电压为 U,在高压开关闭合的瞬间电容器 C 将经过波形形成电阻 R1 放电,形成浪涌的电压波形 u。由于图中电感 L 的值颇小,电容 C 的放电将基本符合指 数规律,而且有 uC=uR1=u, u=Ue-(t/τ) 式中,时间常数τ=CR1,即放电回路的时间取决于贮能电容与波形形成电阻值的乘积。 5 如图 2 所示,脉宽为放电波形的幅度降为一半时所占用的时间(由于波形的前沿时间甚 短,由波形前沿渐近线在时间轴上所占用的时间与脉宽相比可以舍去不计)则有 0.5U=Ue-(T2/τ) 或 上式两侧取自然对数,得 0.5=e-(T2/τ) ln0.5=-(T2/τ)lne 由于 ln0.5=-0.693≈-0.7;lne=1,故浪涌波的脉宽为 T2=0.7CR1 该式即为浪涌发生器设计的基本依据。 以 2/10 波形发生器的设计为例,发生器的脉宽为 10μs,当波形形成电阻 R1 取为 5Ω时 可以算得贮能电容 C 的值: C=10μs/0.7*5=2.86μF 贮能电容 C 的耐压由输出波形的最高电压决定,一般取输出最高电压的 1.2 倍作为其耐 压。图中 L 的值很小而且主要是高压线的寄生电感。适当调节此电感可以使输出波形的上 升沿达到标准所要求的 2μs 左右。R1、 R2 和 R3 并联后得出的值即为发生器的内阻,通过 选用恰当的电阻进行搭配可以使发生器输出所需的内阻。 其他回路中参数的确定类似于此回路的设计。 6 结语 在国内关于 EMC 的测试要求大多数产品还是参照 IEC、ETSI 和 ITU 的相关标准,而 GR-1089-CORE 与这些标准差异较大,特别是本文中所讲述的雷击浪涌测试, GR-1089-CORE 不但要求产品通过我们熟悉的 1.2/50、8/20 的雷击波形测试还要通过 2/10、10/250、10/360 和 10/1000 雷击波形的测试。为了使产品尽快通过 NEBS 认证,缩短上市周期,在送交认证 前最好在厂内进行完整的摸底实验。测试人员应把实验中出现的问题及时反馈给开发人员以 便整改。 参考文献 [1] GR-1089-CORE Issue 4, June 2006. Electromagnetic Compatibility and Electrical Safety-Generic Criteria for Network Telecommunications Equipment [2] 吕文. GR-1089-CORE 与 EN300 386 的差异.电子质量.2007.12 6

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