電磁兼容檢測規(guī)約對傳導(dǎo)騷擾測試的影響分析

扈羅全，王安懿

(1.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215104;2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210018)

0 引言

在電磁兼容檢測的基礎(chǔ)標準(CISPR系列及IEC 61000 系列)相關(guān)技術(shù)條款的闡釋中［1～5］，隱含著一些重要的規(guī)則，稱之為電磁兼容檢測的規(guī)約。這些規(guī)約有:最大騷擾電壓(或者最大某檢出分量)，正常工作狀況，以及統(tǒng)計意義上的判斷結(jié)論等。鑒于不同樣品的工作狀況對測試結(jié)果影響明顯，以CISPR 14-1等標準中對人工模擬手的要求，作為分析參量，分析并討論模擬手在實際傳導(dǎo)騷擾電平檢測中的影響幅度和影響機理，以及如何在實際檢測過程中正確布置人工模擬手的走線方式，得到科學(xué)合理的測試數(shù)據(jù)。

1 電磁兼容檢測三個規(guī)約

1.1 最大騷擾電壓

以CISPR14-1:2005為例。對于該標準中的傳導(dǎo)騷擾測試，要求調(diào)節(jié)待測物(EUT，equipment under test)，使其在測試過程中得到最大的騷擾電平。這個要求是一個通用的基本要求，但是具體如何調(diào)節(jié)EUT，標準并沒有詳細指明。在各個不同的EMC檢測實驗室，其操作往往不一樣。以傳導(dǎo)騷擾測試為例，除了傳導(dǎo)騷擾測試項目本身的測量不確定度之外，EUT的工況對應(yīng)于不同的騷擾電平，對測試結(jié)果的影響不可忽視。

1.2 正常工作狀況

現(xiàn)以真空吸塵器的傳導(dǎo)騷擾測試為例進行分析。如果真空吸塵器的使用工況以其工作電流來衡量，見表1，并且記吸塵器在最高速狀態(tài)運行時的工作電流為I1，在最低速狀態(tài)運行時的工作電流為I2，δ=I1－I2，電流誤差控制在±3%之間。在一些特征頻率點上，測量了待測物不同工作狀態(tài)下的騷擾電壓，2 MHz時的電平值，見表2。

表1 吸塵器的工作電流值

表2 頻率為2 MHz時不同工況下的騷擾電壓

從表2可以看出，不同工況時EUT的騷擾電壓差距非常明顯。類似現(xiàn)象在騷擾功率的測試過程中同樣存在。因此在進行EMC檢測時記錄下其運行工況指標，是EMC檢測過程中一個十分重要的步驟。表面上看不同的騷擾電壓測試結(jié)果似乎是由于EUT本身造成的，但實際上要求測試系統(tǒng)能夠監(jiān)測EUT的不同使用工況。由于目前傳導(dǎo)騷擾測試系統(tǒng)中沒有對EUT工況相應(yīng)的監(jiān)測功能，因此在測試系統(tǒng)中實行對EUT工況的實時監(jiān)測十分重要。

1.3 基于統(tǒng)計意義的結(jié)論

CISPR標準要求針對同批次的產(chǎn)品，樣本數(shù)在3～12之間(推薦樣本數(shù)至少為5)，使用置信度為80%的t－分布統(tǒng)計量對騷擾電平進行統(tǒng)計評估［2］。計算公式為

式中，Sn為估計的樣本標準偏差;xi為單個樣本的測量值;為樣本的均值;k為非中心t－分布，置信度為80%和95%時，對應(yīng)于樣本數(shù)n的系數(shù)，k的值見表3。

表3 一定置信度和樣本數(shù)n時t－分布對應(yīng)的系數(shù)k

從表3可知，置信度越大，必須樣本均值越小，才能保證滿足限值的要求。如果樣本的均值x－滿足式(1)，根據(jù)標準［2］的要求，k取置信度為80%時的值，則該樣本空間的均值至少有80%的概率位于限值L之下。事實上從統(tǒng)計學(xué)的角度來看，有超過80%的概率，樣本的測量電平位于限值L之下，此時樣本均值的真值落于±kSn之間的概率為80%。目前CISPR標準中制定的限值即取置信度為80%。標準［1］認為滿足式(1)的樣本的輻射騷擾測量值符合標準的要求。

在標準［1］中，對于統(tǒng)計評估公式，使用相對限值，即按照下面的公式進行評估

在實際檢測過程中，很多檢測工程師大多是按照單樣本進行判斷。例如在2011年10月，上海市質(zhì)監(jiān)部門公布的對在上海生產(chǎn)、銷售的微型計算機及液晶顯示器產(chǎn)品質(zhì)量進行專項監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)，4批次產(chǎn)品不合格，包括某知名品牌在內(nèi)的產(chǎn)品輻射騷擾項目均不合格［6］。這些型號的產(chǎn)品在復(fù)查時又均合格。實際上根據(jù)標準的內(nèi)在要求，在測試結(jié)果復(fù)查過程中，應(yīng)該使用多樣本對產(chǎn)品進行電磁輻射電平的評估，最終基于統(tǒng)計意義做出電磁兼容檢測標準判斷的結(jié)論。

2 電磁兼容檢測規(guī)約對傳導(dǎo)騷擾測試過程的影響——人工模擬手案例

2.1 標準要求

CISPR 14-1標準中對金屬箔有如下要求:寬度為60 mm。金屬箔建議采用銅箔，但實驗室中通常都使用鋁箔，其厚度為0.05 mm，寬度為60 mm，長度根據(jù)實際需要而定，但是不能超過1 m。確定長度的原則是盡可能短，以降低人工模擬手的寄生阻抗。對于鍵盤等待測物，金屬箔尺寸要求為100 mm×300 mm［3］。需要特別指出，模擬手接地端必須連接測量系統(tǒng)的參考地。根據(jù)CISPR 16-1-2條款4.9對于參考地的連接要求［3］，如果待測物需要接地，就需要使用人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN)的接地端。傳導(dǎo)騷擾測試系統(tǒng)如圖1所示。在傳導(dǎo)騷擾測試系統(tǒng)中，AMN放置在一個面積在2 m×2 m以上的金屬平板上。

圖1 傳導(dǎo)騷擾測試系統(tǒng)示意圖

標準［3］第 8.3小節(jié)中并沒有嚴格規(guī)定人工模擬手的走線方式。人工模擬手等效電路圖，如圖2所示。在8.3小節(jié)中同時指出，圖2中RC元件的位置沒有嚴格要求，但是從復(fù)現(xiàn)性的要求來看，一種實用的 RC元件的位置是置于AMN的內(nèi)部。

圖2 人工模擬手等效電路圖［1］

2.2 最大騷擾電壓的內(nèi)在要求

通過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)不同實驗室對人工模擬手都沒有固定的規(guī)范。根據(jù)前面提出的最大騷擾電壓這一規(guī)約的內(nèi)在要求，需要在降低環(huán)境電磁噪聲的前提下，尋找最大騷擾電平。

為了降低測試系統(tǒng)對待測物測試結(jié)果的影響，有兩種可行的路徑使得人工模擬手走線取得最小環(huán)路面積。(1)在AMN內(nèi)部安裝如圖2所示的RC電路元件，把圖2中的E點統(tǒng)一使用AMN提供的接地點;(2)需要將模擬手的走線與電源線一起走線，使用外部RC電路元件，把圖2中的E點連接到AMN的接地點。

通過上述方式減少人工模擬手引入的接地環(huán)路的面積，就能夠避免因“就近接地”而造成大面積環(huán)路，使測試系統(tǒng)遭受意外的電磁騷擾影響［7，8］。圖1中的雙虛線表示圖2中M端與待測物之間的連接。目前在CISPR 14-1標準中相關(guān)條款(條款5.1.4，條款5.2.2.2)沒有對減少接地環(huán)路這個條件做出詳細描述。因此建議在對該標準修訂時應(yīng)予以考慮，將最小環(huán)路面積的走線方式納入標準條款中。

2.3 人工模擬手阻抗性能

不考慮模擬手的寄生阻抗，模擬手阻抗計算為

式中，Rs和Cs為等價的串聯(lián)電阻和串聯(lián)電容。在進行典型的傳導(dǎo)騷擾電壓測量時，測量頻段為0.15 MHz～30 MHz，取其典型中間頻率值 15 MHz，代入圖2中的電參數(shù)，并由式(4)可得=512 Ω。在整個測試頻段范圍內(nèi)，模擬手的實際等效阻抗從高頻到低頻為511 Ω～4850 Ω，如圖3所示。

圖3 模擬手實際等效阻抗與頻率的關(guān)系

模擬手會明顯影響傳導(dǎo)電磁噪聲。有文獻認為由于阻抗失配，原本通過空間發(fā)射出去的電磁分量，通過模擬手反射回來［7］。事實上，在傳導(dǎo)騷擾測試頻段內(nèi)的電磁分量，主要通過有線信道模式傳播，而并非通過空間輻射等無線信道模式傳播。模擬手對電磁騷擾測試電平的影響，一個主要原因是由于模擬手的出現(xiàn)，改變了待測物的實際阻抗。根據(jù)電磁波傳播的原理及規(guī)律，阻抗發(fā)生改變，傳播的路徑和通過的頻率分量也發(fā)生改變。

通過分析大量樣品的實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)通常待測樣品本身的阻抗在百歐姆數(shù)量級(與之作為比較，電視機視頻電纜的特征阻抗為75 Ω)。顯然，連接模擬手后的并聯(lián)效應(yīng)使得待測樣品的特征阻抗在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。由于不同測試樣品有自身不同的阻抗，最終使得測試系統(tǒng)中樣品的工作阻抗不同。當阻抗發(fā)生較大變化以后，測試得到的電磁騷擾信號的電平變化會比較明顯。例如，當含有接地線路的手持式設(shè)備，連接上人工模擬手之后，其測試結(jié)果與不連接模擬手的結(jié)果非常接近［8］。這從另一個方面證明，人工模擬手與一段近似為零電阻的金屬導(dǎo)線并聯(lián)，最終的合成阻抗接近于零值，即對待測物自身的阻抗影響非常小，因此測試所得的騷擾電平變化不大。

2.4 數(shù)據(jù)分析與討論

分別取17 W手持式風扇(記作樣品1)、1600 W手持電吹風(記作樣品2)和2000 W手持式電鉆(記作樣品3)作為待測樣品。風扇的運行工況分類情況如下:工作電壓230 V@50 Hz，使用人工電源網(wǎng)絡(luò)自帶的模擬手，并且模擬手走線和電源線連在一起(記作工況1);使用自制的模擬手(電阻505 Ω，電容233 pF)，并且模擬手走線和電源線組成一個環(huán)路面積約為1 m2的連接方式(記作工況2);不連接模擬手(記作工況3)。

三個樣品的測試數(shù)據(jù)，如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，對于小功率的樣品1，不同測試工況條件下，在測試頻段范圍內(nèi)電平值變化不大(圖4(a)中沒有區(qū)分三種不同工況的測試結(jié)果)。對于本文選取的常用家電產(chǎn)品——電吹風，在1 MHz以上，模擬手引入明顯的短脈沖電磁噪聲。對手持式電鉆的測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，不同工況的測試結(jié)果之間的差別十分明顯。理論上，工況2的電磁騷擾強于工況1，工況1的電磁騷擾強于工況3。但是，在高頻和低頻范圍內(nèi)，由于復(fù)雜測試環(huán)境的綜合影響，騷擾電平的強弱會有所不同。

圖4 傳導(dǎo)騷擾測試數(shù)據(jù)

圖4(c)的結(jié)果表明，在15 MHz以上，模擬手成為高頻電磁波分量的泄出端口;在15 MHz以下，模擬手同時又成為低頻電磁波分量的流入端口。模擬手使高頻電磁分量的電平下降、使低頻電磁分量的電平上升的現(xiàn)象，稱之為模擬手的頻率選擇效應(yīng)。這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在其他測試數(shù)據(jù)中［7，8］。

現(xiàn)在使用阻抗匹配的模型，分析上述模擬手頻率選擇效應(yīng)的成因。在頻率為5 MHz以上，模擬手的等效阻抗變化很小，阻抗值在530 Ω以下。在低頻段(尤其是5 MHz以下)，模擬手的等效阻抗變大的趨勢十分明顯。阻抗變小，電磁頻譜分量輸出較為容易;反之，頻譜分量被限制在待測物端。

在低頻段傳導(dǎo)騷擾出現(xiàn)的電平增加的電磁分量，來源于待測物自身產(chǎn)生的電磁騷擾，而并非通過模擬手從接地端傳輸過來的環(huán)境電磁噪聲。這可以從有接地線的手持式產(chǎn)品加裝人工模擬手后，騷擾電平基本沒有變化可以得到驗證。由于模擬手是導(dǎo)體裝置，其作用類似于一個收發(fā)天線，它把待測產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁騷擾分量集中接收后，感應(yīng)到電源線，從而影響使用AMN測量的火線或零線的騷擾電平。這種影響不是通過捕集空間發(fā)射出去的電磁分量這種機制。本質(zhì)上，在15 MHz以下頻段的電磁分量，很難通過空間輻射的方式發(fā)射出去。

3 結(jié)語

電磁兼容檢測是一個綜合性很強的測試項目。針對不同待測物的相同測試項目，樣品的現(xiàn)場布置經(jīng)常差別很大。通過深入理解電磁兼容檢測的三個規(guī)約，可以幫助工程師在理解標準相關(guān)條款的過程中，更好地檢測待測物。使用電磁兼容的最大騷擾電壓規(guī)約，很好地解決了在傳導(dǎo)騷擾測試過程中，有關(guān)人工模擬手走線方式這個長期困惑檢測工程師的問題。人工模擬手會明顯影響傳導(dǎo)騷擾的測試電平。這種影響并不是通過模擬手把輻射電磁波的阻抗界面反射回來，而是通過把待測產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁騷擾分量集中接收后，感應(yīng)到電源線，從而影響低頻段的傳導(dǎo)騷擾電平。分析結(jié)果表明電磁兼容規(guī)約有實際使用價值，值得在今后的電磁兼容檢測工作中推廣使用。

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