一種通信電源模塊傳導(dǎo)騷擾測試的改進方法

張一龍，呂鵬，霍玉杰，楊柳

（大唐移動通信設(shè)備有限公司研發(fā)中心，北京100083）

一種通信電源模塊傳導(dǎo)騷擾測試的改進方法

張一龍，呂鵬，霍玉杰，楊柳

（大唐移動通信設(shè)備有限公司研發(fā)中心，北京100083）

針對TD-LTE通信基站設(shè)備電源端口傳導(dǎo)騷擾測試時開關(guān)電源模塊單體能通過測試，但基站設(shè)備不能通過測試的情況，對比分析了其產(chǎn)生的原因，并提出了一種電源模塊傳導(dǎo)騷擾測試的改進方法。實測結(jié)果證明，該方法能夠大幅降低電源模塊和基站設(shè)備傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果的差別。

基站設(shè)備；開關(guān)電源；傳導(dǎo)騷擾；認(rèn)證方法

引言

通信基站設(shè)備在推向市場之前，需要經(jīng)過一系列的強制認(rèn)證。電源端口傳導(dǎo)騷擾是電磁兼容性認(rèn)證中很重要的一項測試，若順利地通過測試并取得認(rèn)證證書，能夠加快產(chǎn)品推向市場的進度；反之，若不能通過測試，則使產(chǎn)品推向整改環(huán)節(jié)，增加改版乃至重新設(shè)計的風(fēng)險，影響產(chǎn)品發(fā)布的日程。

在模塊化的研發(fā)流程中，基站設(shè)備電源端口傳導(dǎo)騷擾的控制主要是通過控制開關(guān)電源模塊輸入端口的傳導(dǎo)騷擾來實現(xiàn)的?，F(xiàn)以某型號基站設(shè)備BSE及其電源模塊為例進行闡述。

1　測試過程與問題

現(xiàn)以某型號基站設(shè)備BSE及其電源模塊為例，闡述目前傳導(dǎo)測試的過程和出現(xiàn)的問題。基站設(shè)備BSE直流輸入額定電壓為-48 V，直流輸出額定電壓為+32 V，額定功率為616 W，電源端口傳導(dǎo)騷擾需要滿足CISPR 22中Class B的限值要求。由于很多情況下，各板卡同步研發(fā)或電源模塊為外購件，所以在只有電源模塊研發(fā)樣機的情況下，并不能準(zhǔn)確測試出整個基站設(shè)備電源端口傳導(dǎo)騷擾的水平，而只能通過替代方法來預(yù)估。在電源選型和認(rèn)證的過程中，業(yè)界普遍采用水泥負載的替代方法來預(yù)估電源是否能滿足整機的要求。

圖1中所示為對電源模塊輸入端口進行傳導(dǎo)騷擾測試示意。在測試中，使用水泥負載來模擬基站設(shè)備內(nèi)部各板卡對電能的消耗，使電源模塊達到額定的輸出功率。通常，要求用在Class B的基礎(chǔ)上降低6 dB的限值對測試結(jié)果進行約束。若測試結(jié)果低于該限值要求，則認(rèn)為它基本可以等效于如圖2所示的測試配置中基站設(shè)備整機電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾的測試結(jié)果。值得注意的是，在圖2的測試環(huán)境中，基站設(shè)備需要建立正常的業(yè)務(wù)，并保持認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的工作狀態(tài)。

圖1　電源模塊傳導(dǎo)騷擾測試示意（使用水泥負載）Fig.1 Conducted emission test on SMPS（with cement load used）

圖2　基站設(shè)備整機的電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾測試（使用板卡負載）Fig.2 Conducted emission test on power input port of base station（with real PCB load used）

然而，使用水泥負載代替板卡負載并不能完全保證基站設(shè)備整機能夠順利通過測試。對于某些型號的基站設(shè)備及其電源模塊，使用水泥負載不僅不能保證整機通過測試，甚至?xí)黾诱麢C測試不通過的風(fēng)險。

圖3和圖4分別展示了基站設(shè)備BSE的電源模塊使用水泥負載和板卡負載時的傳導(dǎo)騷擾預(yù)掃譜線。為提高測試效率，使用PK（peak）值檢波器和平均AV（average）值檢波器進行預(yù)掃，再在PK值幅值較高的頻點檢測準(zhǔn)峰值QP（quasi-peak）。對比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于測試配置與負載的不同導(dǎo)致寄生參數(shù)存在差異，前后測試中騷擾電流的諧振點和Q值不盡相同。使用水泥負載時，最大PK值約44 dBμV，最大AV值約35 dBμV；使用板卡負載時，最大PK值約52 dBμV，最大AV值約50 dBμV。二者測試結(jié)果差異很大，且使用水泥負載的測試結(jié)果更低，無法預(yù)知使用板卡進行測試時，整機能否通過測試。

圖3　使用水泥負載的測試結(jié)果Fig.3 Test result of conducted emission test（with cement load used）

圖4　使用板卡負載的測試結(jié)果Fig.4 Test result of conducted emission test（with real PCB load used）

2　水泥負載測試方法的缺陷分析

對比基站設(shè)備整機和電源模塊輸入端口傳導(dǎo)騷擾的測試條件，很容易發(fā)現(xiàn)負載的不同導(dǎo)致兩種測試結(jié)果差異巨大。分析認(rèn)為，此測試結(jié)果的差異主要是由負載的阻抗屬性和動態(tài)性能不同造成的。

2.1負載的阻抗屬性不同

使用水泥負載進行測試時，為使電源模塊達到既定輸出功率，往往用滿足通流量要求的導(dǎo)線將多塊水泥負載并聯(lián)來實現(xiàn)電源模塊的額定輸出功率。然而，使用水泥負載只能保證直流或者低頻時電源模塊的負載阻抗接近板卡負載阻抗，在傳導(dǎo)騷擾的測試頻段，兩種測試方法的負載阻抗差異很大，這也導(dǎo)致了電源輸出路徑上騷擾電流的差異很大。

在傳導(dǎo)騷擾的測試頻段，尤其是以共模噪聲為主的MHz以上頻段，使用的水泥負載表現(xiàn)為電阻絲的電阻和寄生電感、寄生電容的串聯(lián)，連接各負載的導(dǎo)線表現(xiàn)為電阻和寄生電感的串聯(lián)。電源模塊測試時輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑如圖5所示。由于水泥負載和互連導(dǎo)線都是線連接的幾何結(jié)構(gòu)，電源模塊輸出線及水泥負載與機殼間的寄生電容C1和C2很小，所以對共模騷擾的抑制能力更為明顯。水泥負載和導(dǎo)線整體表現(xiàn)為Z1=R+jωL（L＞0）的形式，高頻段的電感效應(yīng)更為明顯，使得負載阻抗增加，噪聲電流降低。

圖5　電源模塊測試時輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑（使用水泥負載）Fig.5 Conducting path of high frequency noises in the output line（with cement load used）

而在基站設(shè)備整機電源輸入端口的傳導(dǎo)騷擾測試時，電源模塊的負載為各個板卡，即真實負載。為保證板卡供電的穩(wěn)定及濾除高頻噪聲，通常在板卡電源供電端口處設(shè)置旁路電容和退耦電容。同時，板卡上地層、信號包地、散熱片等結(jié)構(gòu)的存在，會增加負載到地間的雜散電容。整機測度時輸出線上的傳導(dǎo)路徑如圖6所示，實際板卡負載整體表現(xiàn)為Z2=R-jωC（C＞0）的形式，高頻段的電容效應(yīng)更為明顯，使得負載阻抗降低，噪聲電流增加。

圖6　基站設(shè)備整機測試時輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑（使用板卡負載）Fig.6 Conducting path of high frequency noises in the output line（with real PCB load used）

通過以上分析可知，使用水泥負載得到的傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果會較真實值偏低。即便在限值上加嚴(yán)了6 dB，仍然會出現(xiàn)使用水泥負載測試通過而板卡負載測試不通過的情況。

2.2負載的動態(tài)性能不同

使用水泥負載進行測試時，負載的阻抗相對穩(wěn)定，使電源模塊的主要騷擾源如MOSFET、變壓器、輸出二極管等能夠工作在一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)。而且，由于水泥負載將電能100%轉(zhuǎn)化為熱能，溫升明顯，導(dǎo)致負載阻抗逐漸增加，輸出電流逐漸降低，騷擾電流隨之降低。

而使用板卡負載進行測試時，由于板卡上存在多個數(shù)字及模擬組件，正常工作時，尤其是工作狀態(tài)切換時，阻抗快速變化，動態(tài)水平很高，直接導(dǎo)致開關(guān)占空比及二極管反向恢復(fù)電流等特征的變化。同時，模擬及數(shù)字板卡正常工作時，會沿電源線將板卡產(chǎn)生的騷擾電流注入電源模塊。其次，板卡溫升沒有水泥負載顯著，從電源輸出口看總的負載一直處于阻抗較低的水平，工作電流及騷擾電流都維持在較高的水平。

使用兩種不同負載進行測試的差異化對照結(jié)果見表1。

表1　傳導(dǎo)騷擾測試中不同負載引起的差異Tab.1 Differences due to different loads in conducted emission tests

2　動態(tài)容性負載替代測試方法

2.1動態(tài)容性負載測試定性分析

在傳導(dǎo)騷擾測試中，水泥負載和板卡負載的差異很大，所以考慮其他替代方法最大限度地模擬板卡對電源端口傳導(dǎo)騷擾的影響。從理論分析和實測結(jié)果來看，基站內(nèi)板卡狀態(tài)切換的過程，即動態(tài)的容性負載阻抗對電源模塊的傳導(dǎo)騷擾測試最為不利，所以考慮使用具有動態(tài)響應(yīng)的電子負載來模擬板卡工作狀態(tài)的切換過程，如圖7所示。

電子負載調(diào)至定電阻高量程CRH（constant resistance high voltage range）模式，同時并聯(lián)2 000 μF的電解電容來模擬板卡的容性阻抗，使電源模塊達到與使用板卡負載時相同的輸出功率。此時，電源模塊整體負載表現(xiàn)為Z3=R-JωC（C＞0）的形式，更接近實際板卡的負載屬性。通過編程實現(xiàn)電子負載的動態(tài)響應(yīng)，要求5%～80%的功率變化，電流變化速率2 A/μs，以模擬板卡工作狀態(tài)切換的過程。

測試時，將電子負載機殼接地。由于內(nèi)部數(shù)字模擬組件及外部并聯(lián)的電解電容體積較大，它們與電子負載機殼間的寄生電容為高頻的共模騷擾提供了較低的阻抗路徑，更接近實際板卡負載與基站設(shè)備機殼間固有寄生電容的情形。

相比水泥負載，動態(tài)電子負載的溫升和產(chǎn)生的騷擾電流對電源模塊的影響也更接近板卡負載的情況。

圖7　使用動態(tài)電子負載并聯(lián)電容代替板卡負載的測試電路Fig.7 Test circuit of dynamic electric load in parallel with capacitor instead of real PCB load

3.2實測結(jié)果對比

基站設(shè)備BSE使用動態(tài)容性負載測試的配置如圖8所示?？?cè)葜? 000 μF的電解電容組放置于BSE的機殼內(nèi)部，并聯(lián)的電子負載由于體積太大，只能放于BSE的機殼外部，但要盡量接近機殼放置。測試時使用的電子負載為Chroma 63106A。

使用動態(tài)容性負載時，最大PK值約為56 dB μV，最大AV值約為50 dBμV，比使用板卡負載時略高。通過圖9和圖2的對比容易發(fā)現(xiàn)，2種不同測試配置下，騷擾電壓在1～10 MHz頻段的諧振情況出現(xiàn)差異，但在200～300 kHz和10～20 MHz兩個頻段出現(xiàn)了諧振點，且諧振頻率十分接近。使用動態(tài)容性負載得到的測試結(jié)果稍差于使用板卡負載的測試結(jié)果，這對電源模塊設(shè)計初期進行裕量設(shè)計、整改和預(yù)計BSE整個設(shè)備電源端口傳導(dǎo)騷擾的水平有重要意義。

圖8　電源模塊傳導(dǎo)騷擾測試（使用動態(tài)容性負載）Fig.8 Conducted emission test on SMPS（with dynamic capacitive load）

圖9　使用動態(tài)容性負載的測試結(jié)果Fig.9 Conducted emission test on SMPS（with dynamic capacitive load）

4　結(jié)語

本文提出了一種使用動態(tài)容性負載測試電源模塊傳導(dǎo)騷擾水平的方法，相比傳統(tǒng)使用水泥負載的測試方法，該方法更接近基站設(shè)備整機的測試結(jié)果。而且，由于動態(tài)容性負載的測試配置更加嚴(yán)苛，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)電源模塊設(shè)計中的薄弱點并在更大程度上保證基站設(shè)備整機順利通過測試。

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An Alternative Certification Method for Conducted Emissions of SMPS

ZHANG Yilong，LYV Peng，HUO Yujie，YANG Liu
（Research Department，Datang Mobile Communications Equipment Co.Ltd.，Beijing 100083，China）

In this paper，the reasons why switching mode power supply（SMPS）for TD-LTE base stations alone could pass the conducted emissions（CE）test while the whole equipment could not are analyzed.An alternative certification test method for conducted emissions of SMPS is proposed.Test results prove that this method can greatly decrease the difference between test results of single SMPS and base station equipment.

base station；switching mode power supply；conducted emission；certification method

張一龍

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.166

TN 06

A

張一龍（1988-），男，碩士，助理工程師，研究方向：電磁兼容及信號完整性，E-mail：zhangyilong@datangmobile.cn。

呂鵬（1986-），男，本科，助理工程師，研究方向：開關(guān)電源效率優(yōu)化，E-mail：lvpeng@datangmobile.cn。

霍玉杰（1982-），男，通信作者，碩士，工程師，研究方向：可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，E-mail：huoyujie@datangmobile.cn。

楊柳（1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向：射頻電路，E-mail：yangliu @datangmobile.cn。

2015-11-24