EMC用人工電源網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)配置分析

史鎖蘭，李鵬飛，周鎰，安輝

（中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

0 引言

人工電源網(wǎng)絡(luò)是電源端傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試的常用設(shè)備，用于測(cè)量被測(cè)設(shè)備（EUT）通過電源線向電網(wǎng)發(fā)射的騷擾電壓。測(cè)試時(shí)，將人工電源網(wǎng)絡(luò)放置在電網(wǎng)與EUT之間，其可在頻率范圍內(nèi)向被測(cè)設(shè)備端提供一種規(guī)定的阻抗，并能將試驗(yàn)電路與供電電源上的無(wú)用射頻信號(hào)隔離開來(lái)，進(jìn)而將騷擾電壓耦合到測(cè)量接收機(jī)上[1]。人工電源網(wǎng)絡(luò)的三大校準(zhǔn)參數(shù)為阻抗（模和相位角）、隔離度和分壓系數(shù)。對(duì)于V型人工電源網(wǎng)絡(luò)，GB/T 6113.102規(guī)定了其阻抗（模和相位角）的大小及其允差，規(guī)定了每個(gè)電源端子與接收機(jī)端口之間的基本隔離要求，以降低EUT在人工電源網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的電壓測(cè)量不確定度，前兩個(gè)參數(shù)是對(duì)V型人工電源網(wǎng)絡(luò)的基本性能要求，而分壓系數(shù)應(yīng)被計(jì)入騷擾電壓測(cè)量中，直接影響測(cè)量結(jié)果。

本文將對(duì)常用的50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗（模和相位角）進(jìn)行分析研究，討論校準(zhǔn)時(shí)所帶的電源附件對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)的影響，通過實(shí)際校準(zhǔn)和試驗(yàn)進(jìn)一步地驗(yàn)證，得出結(jié)論，提出人工電源網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)和使用建議。

1 50 Ω/50 μH+5 Ω V型人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗分析

1.1 理論分析

適用的50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖1所示。圖1中，L1、C1、R1、R4、R5規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)阻抗；L2、C2、R2將電源寄生信號(hào)和電源阻抗的變化隔離開來(lái)；C3用來(lái)去除測(cè)量接收機(jī)和電源電壓之間的耦合。圖1中各個(gè)元件的參數(shù)如表1所示。

圖1 50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖

表1 50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)的元件值

人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗包括:當(dāng)騷擾輸出端接50 Ω負(fù)載阻抗時(shí)在EUT端測(cè)得的相對(duì)于參考地阻抗的模和相角兩個(gè)部分。在電源端傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試時(shí)，分別對(duì)L相-地、N相-地進(jìn)行測(cè)試，所以針對(duì)單獨(dú)的L相或N相，圖1的電路可簡(jiǎn)化為圖2所示的電路[2]。

圖2 簡(jiǎn)化電路圖

該電路的輸入阻抗Z可以看作是由X1和X2并聯(lián)而成的，因此可得:

其中，w=2πf。

將頻率f和表1所列的各種L、C數(shù)值代入以上公式，即可算出不同頻率下電路的輸入阻抗Z值（模和相角），該計(jì)算值與GB/T 6113.102—2018給出的理想網(wǎng)絡(luò)的阻抗非常接近，具體如表2所示。

表2 50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗

GB/T 6112.201要求，在進(jìn)行電源端傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)試時(shí)，EUT的放置應(yīng)使其邊界和人工電源網(wǎng)絡(luò)最近的一個(gè)平面之間的距離為80 cm。實(shí)際測(cè)試時(shí)，因人工電源網(wǎng)絡(luò)EUT端的接口單一，EUT電源線的長(zhǎng)度、電源適配器標(biāo)準(zhǔn)的種類多樣，經(jīng)常需要使用額外的電源轉(zhuǎn)換器或電源延長(zhǎng)線，或兩者的結(jié)合（本文統(tǒng)一稱此為電源附件），以滿足80 cm的布置要求。一般情況下，對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，需附帶這些電源附件一起校準(zhǔn)，以確認(rèn)人工電源網(wǎng)絡(luò)的符合性[3]。下面將電源附件作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的一部分展開分析討論。

無(wú)源器件電感、電容在低頻狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)本征特性，隨著頻率的增大，由于材料、環(huán)境等因素引進(jìn)的微小寄生參數(shù)便產(chǎn)生相應(yīng)的作用，且頻率越高，影響越大[4]。電阻高頻特性的影響相對(duì)電感、電容小，故此處忽略電阻；為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，僅考慮電源附件的分布電感，得到如圖3所示的等效電路圖，其中，L為分布電感。

圖3 等效電路圖

如圖4所示，考慮電源附件的分布電感后，阻抗模值隨著頻率的增大一直增大，取不同的分布參數(shù)，可以看出，分布電感越大，阻抗模值也相應(yīng)地增大，相位角也出現(xiàn)不同程度的偏離，如圖5所示。由此可以看出，電源附件的分布參數(shù)對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗的影響很大，絕對(duì)地將電源附件作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行校準(zhǔn)，存在一定的不合理性，應(yīng)分情況討論。

圖4 阻抗模值

圖5 阻抗相角

1.2 試驗(yàn)分析

本文對(duì)典型的50 Ω/50 μH+5 ΩV型人工電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)[5]（僅取N相的數(shù)據(jù)），校準(zhǔn)時(shí)，人工電源網(wǎng)絡(luò)的EUT端口端接特定長(zhǎng)度的電源延長(zhǎng)線，得出人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗模值和相角，如圖6-7所示。結(jié)果顯示，電源附件對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗（阻抗模值和相角）的影響不容忽視，當(dāng)頻率大于1 MHz時(shí)，阻抗模值和相角開始超出標(biāo)準(zhǔn)要求的允差范圍，即不滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)的定義要求。

圖6 阻抗模值校準(zhǔn)值

圖7 阻抗相角校準(zhǔn)值

同時(shí)，本文對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)的EUT端口分別做以下處理:1）不接電源附件；2）接電源轉(zhuǎn)換接頭；3）接1.5 m長(zhǎng)的電源延長(zhǎng)線。校準(zhǔn)得到人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗模值、相角和分壓系數(shù)（僅取N相的數(shù)據(jù)），如圖8-10所示。同樣，當(dāng)頻率大于1 MHz時(shí)，接1.5 m長(zhǎng)電源延長(zhǎng)線的配置下，3個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)的數(shù)值明顯地高于電源附件其他兩個(gè)校準(zhǔn)配置。

圖8 阻抗模值比較

圖9 阻抗相角比較

圖10 分壓系數(shù)比較

以上試驗(yàn)充分說(shuō)明，不是所有的電源附件與人工電源網(wǎng)絡(luò)一起校準(zhǔn)，所得的阻抗均能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。那么，這些校準(zhǔn)參數(shù)值在傳導(dǎo)騷擾測(cè)試中的適用意義則需分情況考慮。

例如:將以上1）和3）兩種連接狀態(tài)的分壓系數(shù)值分別計(jì)入對(duì)應(yīng)狀態(tài)下對(duì)同一穩(wěn)定信號(hào)源的騷擾電壓測(cè)量結(jié)果，得出該信號(hào)源的傳導(dǎo)騷擾電壓（僅取N相的數(shù)據(jù)），比對(duì)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，兩種不同的連接狀態(tài)下，同一穩(wěn)定信號(hào)源的騷擾電壓值差異已明顯地超出傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度，說(shuō)明使用1.5 m長(zhǎng)電源延長(zhǎng)線作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的附件進(jìn)行校準(zhǔn)，以及使用校準(zhǔn)所得分壓系數(shù)的不合理性。

圖11 騷擾電壓

2 校準(zhǔn)參數(shù)的使用建議

通過以上理論分析、校準(zhǔn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明人工電源網(wǎng)絡(luò)EUT端口使用的電源附件的分布參數(shù)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響不容忽視，同時(shí)也會(huì)對(duì)傳導(dǎo)騷擾電壓的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。在進(jìn)行人工電源網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，什么標(biāo)準(zhǔn)的電源附件才能作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的一部分，需要進(jìn)一步地試驗(yàn)驗(yàn)證。但本文的分析研究結(jié)論，足以對(duì)日常人工電源網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)和使用起到重要的指導(dǎo)作用。

a）人工電源網(wǎng)絡(luò)EUT端口使用的電源附件需作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，以減小測(cè)量誤差及測(cè)量結(jié)果的不一致性。但應(yīng)注意的是，人工電源網(wǎng)絡(luò)EUT端口的阻抗定義為對(duì)受試設(shè)備呈現(xiàn)的終端阻抗，無(wú)論是否附帶電源附件對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)所得的阻抗模值和相角都必須在標(biāo)準(zhǔn)要求的允差范圍內(nèi)；否則，該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將無(wú)法用于日常傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)量。

b）對(duì)于電源附件的選擇，建議線纜盡可能地短，除了電源線延長(zhǎng)作用所必須外，不帶有開關(guān)、防雷等組件；并且應(yīng)具有相似于原電源電纜的特性（包括導(dǎo)線的數(shù)量和接地連接），以盡量地降低電源附件對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)阻抗的影響。

c）如果附帶電源附件校準(zhǔn)所得的阻抗值不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可換合適的電源附件重新校準(zhǔn)，或者將該電源附件視為EUT電源電纜的一部分，但應(yīng)做好相關(guān)記錄，并且測(cè)量結(jié)果是否作為EUT騷擾電壓的標(biāo)準(zhǔn)符合性判定，需作進(jìn)一步的討論。

3 結(jié)束語(yǔ)

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)EMC用人工電源網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)參數(shù)要求有很明確的規(guī)定，但在實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的檢測(cè)需求來(lái)確定人工電源網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)配置，并考慮校準(zhǔn)所帶的附件對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)的影響，選用相似于原電源電纜特性的延長(zhǎng)線作為人工電源網(wǎng)絡(luò)的附件與人工電源網(wǎng)絡(luò)一起校準(zhǔn)，以確定其標(biāo)準(zhǔn)符合性，可有效地提高測(cè)量準(zhǔn)確度。