運行時間和機內(nèi)溫度對電子產(chǎn)品EMI 試驗結(jié)果的影響

何觀寰 陳正茂 王 鑫 杜華杰

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

大量電磁兼容測試經(jīng)驗表明，許多電子產(chǎn)品在電磁兼容發(fā)射測試（EMI）時，測試結(jié)果會隨產(chǎn)品運行時間的增加而變化。在同樣的試驗場地、設備、環(huán)境、輔助設備情況下，僅因產(chǎn)品運行時間的不同就導致了測試結(jié)果的差異。猜想可能是隨運行時間增加，產(chǎn)品機內(nèi)溫度升高，使得電路中電子元器件的電磁特性發(fā)生變化，進而改變了產(chǎn)品的EMC 性能，最終導致測試結(jié)果產(chǎn)生變化。為了驗證這一猜想，本次進行了運行時間和機內(nèi)溫度對EMI 測試結(jié)果影響的對比試驗。

1 試驗方案

本次試驗隨機挑選的5 款不同品牌、不同型號的電源適配器作為EMI 測試對象，樣品編號分別為1#～5#。測試項目選定為交流電源端口的傳導發(fā)射測試（下稱“傳導測試”）。

傳導測試依據(jù)GB/T 9254.1-2021《信息技術設備、多媒體設備和接收機電磁兼容第1 部分：發(fā)射要求》標準要求進行，電源適配器按B 級設備限值要求。

試驗在屏蔽室內(nèi)進行，試驗環(huán)境為溫度25.3 ℃，濕度56 %RH。主要測試儀器有EMI 測量接收機、人工電源網(wǎng)絡、80 cm 絕緣桌子、熱成像儀、熱風機、水泥電阻負載等。一共設有兩組對比試驗：不同運行時間的測試、不同機內(nèi)溫度的測試。試驗步驟如下：

1.1 不同運行時間的測試

1）將樣品的機殼拆下，以便于熱成像儀探測機內(nèi)溫度變化情況；

2）依據(jù)GB/T 9254.1-2021 對樣品進行試驗布置，樣品端接相應規(guī)格水泥電阻，使其保持額定功率輸出狀態(tài)；

3）樣品上電工作后立即進行交流電源端口的傳導發(fā)射的測量，測量數(shù)據(jù)記錄為“工作0 min 傳導數(shù)據(jù)”（如圖1 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“工作0 min 溫度狀態(tài)”（如圖2 所示）；

圖1 樣品1#工作0 min 傳導數(shù)據(jù)

圖2 樣品1#工作0 min 溫度狀態(tài)

4）保持試驗布置、工作狀態(tài)等條件不變，樣品上電工作每10 min，進行一次交流電源端口的傳導發(fā)射的測量，測量數(shù)據(jù)記錄為“工作n min傳導數(shù)據(jù)”（如圖3所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“工作n min 溫度狀態(tài)”（如圖4 所示），直到上電工作30 min。

圖3 樣品1#工作30 min 傳導數(shù)據(jù)

圖4 樣品1#工作30 min 溫度狀態(tài)

1.2 不同機內(nèi)溫度的測試

5）將樣品靜置冷卻，使其機內(nèi)溫度到達與“工作0分鐘溫度狀態(tài)”相近的狀態(tài)后，進行交流電源端口的傳導發(fā)射的測量，測量數(shù)據(jù)記錄為“冷機傳導數(shù)據(jù)”（如圖5 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“冷機溫度狀態(tài)”（如圖6 所示）；

圖5 樣品1#冷機傳導數(shù)據(jù)（靜置冷卻后）

圖6 樣品1#冷機溫度狀態(tài)（靜置冷卻后)

6）樣品斷電，使用熱風槍對樣品進行加熱，使其機內(nèi)溫度到達與“工作30 min 溫度狀態(tài)”相近的狀態(tài)后，然后上電工作，進行交流電源端口的傳導發(fā)射的測量，測量數(shù)據(jù)記錄為“熱機傳導數(shù)據(jù)”（如圖7 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“熱機溫度狀態(tài)”（如圖8 所示）；

圖8 樣品1#熱機溫度狀態(tài)（熱風槍加熱后）

7）對樣品1#～5#均進行以上第1）到第6）步的操作，整理數(shù)據(jù)，進行對比分析。

2 試驗結(jié)果與結(jié)論

記錄并整理樣品1#～5#每次測量結(jié)果準峰值的最大發(fā)射幅值，如表1～5 所示。

表1 樣品1#傳導測試數(shù)據(jù)—準峰值

表2 樣品2#傳導測試數(shù)據(jù)—準峰值

表3 樣品3#傳導測試數(shù)據(jù)—準峰值

表4 樣品4#傳導測試數(shù)據(jù)—準峰值

表5 樣品5#傳導測試數(shù)據(jù)—準峰值

通過數(shù)據(jù)對比與分析，可以得出以下試驗結(jié)論：

1）通過數(shù)據(jù)表可以發(fā)現(xiàn)5 個樣品中，有4個樣品的傳導測試結(jié)果隨運行時間、機內(nèi)溫度有明顯變化（相差2 dB 以上），且“工作0 min”與“冷機”、“工作30 min”與“熱機”的數(shù)據(jù)均比較接近（相差小于2 dB）。試驗表明，電子產(chǎn)品EMI 測試存在溫度效應，隨著產(chǎn)品的運行時間增加，機內(nèi)溫度升高，產(chǎn)品的EMC 性能發(fā)生變化，最終影響測試結(jié)果，甚至對標準符合性判定造成影響。

2）測量結(jié)果有明顯變化的4 個樣品中，有2個樣品測試結(jié)果隨著運行時間增加、機內(nèi)溫度升高而傳導騷擾明顯減??；有2 個樣品測試結(jié)果隨著運行時間增加、機內(nèi)溫度升高而傳導騷擾明顯增大。試驗表明，不同產(chǎn)品的EMI 測量結(jié)果受運行時間、機內(nèi)溫度影響的趨勢及程度各不相同。

3）測量結(jié)果有明顯變化的4 個樣品中，運行時間前20 min 的測試結(jié)果變化較大，第（20～30）min 的測試結(jié)果變化較?。? dB 以內(nèi)），可能是因為產(chǎn)品機內(nèi)溫度隨運行時間增加而越來越穩(wěn)定，因此產(chǎn)品EMC 性能也越來越平穩(wěn)，使得測試結(jié)果逐漸穩(wěn)定。

3 原理分析

試驗證明機內(nèi)溫度對電子產(chǎn)品的EMC 特性存在一定影響，那么該影響是如何產(chǎn)生的呢？

3.1 電磁騷擾產(chǎn)生與抑制措施

電子設備產(chǎn)生電磁騷擾的根本原因在于電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化，由于實際電子元器件與理想元器件存在一定差異，電路的電壓/電流信號會發(fā)生設計預期外的變化，因此電磁騷擾普遍存在于各類電子設備中。抑制電磁騷擾的基本方法主要有：接地、屏蔽、濾波，其中濾波器主要由電阻、電容、電感、磁珠磁環(huán)等組成。

3.2 濾波元器件—電容器、電感器、磁芯

電容器與電感器的參數(shù)對濾波器的性能有決定性影響，以LC 差模濾波器[1]（如圖9）為例，該濾波器的插入損耗曲線如圖10 所示，其調(diào)諧頻率F0的計算公式為：

圖9 有差模濾波電路的開關電源傳導騷擾測試等效電路圖

圖10 實際電源中的LC 差模濾波電路的插入損耗

由插入損耗曲線及公式（1）可知濾波器中的電容器及電感器的規(guī)格參數(shù)直接決定了濾波器的插入損耗及諧振頻率。而有研究表明，電容器的容值與電感器的感量會隨溫度的變化而產(chǎn)生變化[2,3]。類似的反應也會發(fā)生在磁珠磁環(huán)等磁芯中，溫度的變化會導致鐵氧體的磁導率的變化[4]，影響其功率損耗。因此可以推斷，隨著產(chǎn)品運行時間增長，機內(nèi)溫度升高，濾波器的插入損耗和諧振頻率，以及磁體的磁導率發(fā)生了變化，進而改變了產(chǎn)品的EMC 性能，最終導致EMI 測試結(jié)果的變化。

3.3 發(fā)熱元器件—集成電路（芯片）、變壓器等

一些元器件在運行中，會產(chǎn)生功率損耗并轉(zhuǎn)化為熱量，當熱量的釋放量大于排放量，機內(nèi)熱量便會積累，導致機內(nèi)溫度升高。這些發(fā)熱元器件不僅會使得濾波電路溫度升高從而影響濾波性能，還會使發(fā)熱元器件本身的EMC 性能發(fā)生改變。例如，集成電路（芯片）的溫度變化會對電子電路板的電磁發(fā)射或磁化率產(chǎn)生不可忽略的影響[5]。又例如，變壓器的溫度升高會導致變壓器實心繞組的電阻增大了振蕩的衰減，并減小振蕩的銳度，使得諧振回路的品質(zhì)因數(shù)下降，而且產(chǎn)生的有功損耗使得調(diào)諧頻率偏移[6]。

4 建議

為保證產(chǎn)品EMC 性能穩(wěn)定可控，建議廠家在研發(fā)設計時，充分考慮產(chǎn)品運行時的溫度狀態(tài)，對芯片、變壓器等發(fā)熱元器件做好散熱處理，溫度敏感的電子元器件盡可能遠離熱源布局，EMC 濾波電路盡量使用溫度特性良好的元器件，例如X7R電容等。

對于EMC 測試實驗室，建議嚴格按照產(chǎn)品標準和方法標準關于預運行/預熱時間的要求，對受試設備進行測試前的預運行，例如照明設備在EMC 測試前，應按照GB/T 17743-2021 標準的7.8條款的要求預運行到穩(wěn)定狀態(tài)[7]。如果沒有給定預運行/預熱時間，在試驗之前，受試設備應運行足夠的時間，以保證其工作方式和工作狀態(tài)為壽命期限內(nèi)的典型狀態(tài)[8]。并且應在足夠長的時間內(nèi)觀察產(chǎn)品的騷擾電平是否穩(wěn)定，對于騷擾電平不穩(wěn)定的產(chǎn)品，應依據(jù)測試方法標準的相關要求，延長測量接收機的讀數(shù)觀察時間，進行進一步的驗證。

5 結(jié)語

本文通過對比試驗研究電子產(chǎn)品的運行時間、機內(nèi)溫度對EMI 測試結(jié)果的影響，得出一些測試結(jié)果變化的規(guī)律，并從電路設計和元器件特性角度對此現(xiàn)象進行原理分析，提出了產(chǎn)品設計和電磁兼容測試相關建議，對產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測具有一定的指導意義。