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开关电源电磁兼容测试发展动态

我爱方案网| 开关电源,电磁兼容,试验技术,发展动态| 2011-07-21
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中心议题:
    * 电磁兼容测试所需设备和测试场地
    * 电磁兼容测试方法介绍
    * 国内开关电源电磁兼容现况

根据GB4824—1996标准对干扰源的分类,将设备划分为两组:一组设备是指为发挥其自身功能需要而包含专门产生或使用传导耦合射频能量的所有工、 科、医设备;另一组设备是指为满足材料处理、电火花腐蚀等功能需要而包含专门产生或使用电磁辐射能量的所有工、科、医设备。从上述定义看,开关电源当属于 第一组设备。

另外,GB4824—1996根据设备所使用供电网络的不同,将设备又划分成A、B两类。A类设备是非家用、不直接连到住宅低压电网的所有设施的工、科、 医设备;B类设备是在家用设施内和直接连到住宅低压电网的设施的工、科、医设备。从上述分类看,开关电源均有可能分属于这两大类设备。  

EMC设计与EMC测试是相辅相成的。EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的,只有在产品的EMC设计和研制的全过程中,进行EMC的相容性预测和 评估,才能及早发现可能存在的电磁干扰(EMI),并采取必要的抑制和防护措施,从而确保系统的电磁兼容性。否则,当产品定型或系统建成后再发现不兼容的 问题,则需在人力、物力上花很大的代价去修改设计或采用补救的措施。

EMC测试包括测试方法、测量仪器和试验场所。测试方法以各类标准为依据,测量仪器以频域为基础,试验场地是进行EMC测试的先决条件,也是衡量EMC工 作水平的重要因素。EMC检测受场地的影响很大,尤其以电磁辐射发射、辐射接收与辐射敏感度的测试对场地的要求最为严格。目前,国内外常用的试验场地有开 阔场、半电波暗室、屏蔽室和横电磁波小室等。

本文将讨论与开关电源电磁兼容测试有关的测量仪器设备和测试场地、测试方法和展望我国电磁兼容试验技术等问题。

测量仪器设备和测试场地

(1)测量仪器


采用带有准峰值和平均值检波器的干扰接收机,其性能应符合CISPRl6—1或对应国标GB/T6113.1(《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》)的要 求。在标准涉及的频率范围内,一般要用两台不同频段的干扰接收机,分别是10kHz~30MHz、30~1000MHz。

(2)线性阻抗稳定网络

线性阻抗稳定网络(LISN:lineimpedancestabilizationnetwork)又称为人工电源网络。在做电源端传导干扰电压/电流 测试时,应采用阻抗为50Ω/50μH的LISN(V型网络),其特性应符合CISPRl6—1和GB/T6113.1的要求。联接LISN有两个作用: 其一,对EUT的电源输入端口,在高频谐波时提供一个标准线性阻抗,这样当联接到同一电源的其它设备发生变化时,不会影响EUT输入的电源阻抗;其二、 LISN可以滤去来自电网电源的EMI,给开关电源提供一个“干净”的电网交流电源,不会影响对EUT本身传导干扰的测量结果。

(3)天线

在10kHz~30MHz频段内采用具有屏蔽的环型天线。在30~1000MHz频段内采用平衡偶极子天线。

(4)测试场地
  
作为EMC测试的实验室大体有两种类型:一种是经过EMC权威机构审定和质量体系认证,而且具有法定测试资格的综合性设计与测试实验室或检测中心。它包括 进行传导干扰、传导敏感度及静电放电敏感度测试的屏蔽室,进行辐射敏感度测试的消声屏蔽室,用来进行辐射发射测试的开阔场地和配备齐全的测试与控制仪器设 备。另一种类型就是根据本单位的实际需要和经费情况而建立的具有一定测试功能的EMC实验室。比起检测中心,这类测试实验室规模小、造价低,主要适用于预 相容测试和EMC评估,也就是为了使产品在最后进行EMC认证之前,具有自测试和评估的手段。

对待测设备(EUT:equipment undertest)测试场地布置的一般要求是:EUT的干扰电平是指试品在各种典型使用情况下,所取不同配置 和试验布置时干扰值的最大值。在试验报告中应详细说明试验时试品的配置和试验布置。当EUT是由几个互连设备组成时,互连电缆的型号和长度应与试品技术要 求中规定的相一致。如果电缆长度是可以改变的,则取在辐射试验中能产生最大辐射的长度。

10kHz~1000MHz频段的辐射测试场地应该是一个空旷、平坦的场地,在其边界范围内无架空线,附近无反射结构物(如钢筋水泥建筑和高大树木 等),而且具有足够大的尺寸,使天线、试品和反射结构物之间能充分分开。满足标准的辐射测试场地应该是一个由长轴等于两倍焦距(F)、短轴等于倍焦距的椭 圆所包围的场地,如图1所示。试验时,EUT和测量天线将分别处在两个焦点上。

为了获得稳定的电波传输特性,必须有一个固定的、相当大的反射地面(或称接地平板)。反射面用金属材料制成,如钢板(包括镀锌钢板)和金属丝网等。板与板 之间要用电焊连接,无大的漏缝或孔洞。金属网孔径的最大尺寸必须小于波长的1/10(对1000MHz,孔径应小于3cm)。另外,场地表面必须平整,同 时要考虑排水设施。

传导干扰电压/电流的测试可以在辐射试验场地内进行,也可以在屏蔽室内进行。


图1 满足标准的辐射测试场地

 

直接测试方法

所谓直接测试方法指的是在按某个EMC标准要求的实验室测量配置和测试条件进行EMC测试,追求的是测试结果的准确性及与国内外测试机构之间的可比性。但费用较高。下面分别讨论环境电平的测试、30MHz~l000MHz的辐射测试和电源端传导干扰电压/电流的测量。

(1)环境电平的测试

EUT接入测量线路,但在未通电运行时,要用测量环境噪声电平的方法来决定试验环境的 适用性,环境电平应至少比规定的限值低6dB。如果环境电平和EUT的辐射叠加后,仍不超过规定限值_,EUT即被认为已满足规定限值。

在测量电源端传导骚扰电压时,可在LISN和供电电网之间接入一个适当的射频滤波器,以降低环境电平。但接入射频滤波器后,在测量频率上,LISN的阻抗仍应满足规定要求。

在测量辐射骚扰时,如果环境电平无法满足要求,则可将测量天线向试品移近后再进行测量,但限值不变。这实际上是对EUT的要求更加严格了。

(2)30MHz~l000MHz的辐射测试
  
当EUT放在试验转台上时,应使设备的辐射中心尽可能地接近转台的转动中心。EUT和测量天线的距离是指转动轴线和测量天线之间的水平距离。

关于试验的转台,如果是高出接地平板的转台,一一般不应高出该平面0.5m;如果是与接地平板处在同一平面的转台,则转台平面一定是金属平面,且和接地平 板有良好的电气连接。不管哪一种转台,非落地式试品放在转台上,离接地平板的高度应为0.8m。当EUT不放在转台上时,EUT和测量天线之间的距离是指 EUT边界和测量天线之间的最近水平距离。


图2 辐射干扰测量的典型布置

对于EUT放在转台上的情况,测量天线处在水平和垂直两种极化状态时,转台都应在所有角度上旋转,应在每个测量频率上记录其辐射骚扰的最高电平。

测量中对天线的要求是:在30~80MHz频段内,天线长度应等于80MHz的谐振长度;在80~1000MHz频繁段内,天线长度应等于测量频率的谐振 长度。另外,应该用一个适当的变换器装置使天线与馈线相匹配。还要配置一个平衡/不平衡变换器,实现与测量接收机的连接。

天线应能任意取向,分别测量其垂直极化和水平极化波分量。天线中心高度应能在l~4m内调节。天线离地的最近点不应小于0.2m,以测出其最大值。

如果使用其他形式天线的测量结果与平衡偶极子天线的测量结果的差值在±2dB以内,则可用其他形式天线。实用中常用的宽带天线是双锥天线 (30~300MHz)和对数周期天线则可用其他形式天线。实用中常用的宽带天线是双锥天线(30~300MHz)和对数周期天线 (30~1000MHz)。图2是辐射干扰测量的典型布置。 

(3)电源端传导干扰电压/电流的测量

测量传导干扰时,德国的VDE(verbenadetacherelectrotechniquer)和CISPR标准采用有别于美国的联邦政府通信委员 会FCC(federalcommunicationscommission)标准的LISN电路,其输入阻抗为150,而FCC标准采用的LISN电 路,其输入阻抗为50。传导干扰测试下限频率,VDE和CISPR标准规定为10kHz,而FCC标准规定为450kHz;这三种标准规定上限频率都是 30MHz。

在辐射试验场上测量时,EUT应处于和辐射测量相同的状态下,且EUT应处在比其边界至少扩展O.5m或最小尺寸为2m×2m的金属接地平板上。

在屏蔽室内测量时,可用地面屏蔽层或任意一壁的屏蔽层作为接地平板。试验时,非落地EUT应放在离地平板0.4m高的绝缘支架或台子上。落地EUT则放在接地平板上,其接触处应相互绝缘或与正常使用时一致。所有EUT离其他金属物体的距离应大于0.8m。

LISN的外表面和EUT边界之间的最近距离应小于0.8m。网络的参考接地端应该用尽量粗短的导线接到接地平板上。电源电缆和信号电缆和信号电缆走线与 接地平板之间的相关情况应与实际使用情况等效,并应十分小心地布置电缆,以免造成假响应效应。图3为在屏蔽室内测量时,传导干扰测量的典型布置。

当EUT有特别的接地端子时,应该用尽量短的导线接线地。不装有特别接地端子的EUT,应在其正常连接方式下进行试验,即从供电电网上取得接地。由制造厂 提供软性电源线的设备,其电源线的长度应为1m。如果实际长度超过1m,则超过部分应来回折叠成O.3~O.4m的线束。


图3 在屏蔽室内测量时,传导干扰测量的典型布置

 


如果EUT由几个单元组成,而且每个单元都具有电源线,在与LISN连接时,取决于下列规定:
①接在标准电源插头的每根电源电缆都应分别测量;
②制造厂未规定须从系统中另一单元取得供电电源的电源线或端子都应分别测量;
③由制造厂规定须从系统中某一单元取得电源的电源线或端子应接至该单元,而将该单元的电缆或端子接至LISN进行测量;
④当EUT为了安全目的需要接地时,接地线应接在LISN的参考接地点上。除了由制造厂提供接地线或对接地另有规定外,在无其他特殊要求时,接地线长度应为lm,并与EUT电源线平行敷设,其间距不大于O.1m。

替代的测试方法

由于上述实验室测量配置价格不菲,如果还要涉及到测试场地,则更不是一般生产企业所能接受得了的。而替代测试方案,在确保有一定可比性的前提下,可尽量降低配置成本,为尽可能多的企业所接受。

(1)测量仪器  

考虑到开关电源的特点,其内部均由电子线路构成,电源稳态工作时不产生火花、电弧和气体放电,也不产生家电产品特有的“喀呖”声干扰,只产生周期性的电 压、电流及其谐波,因此推荐采用频谱分析仪。在标准规定的测试频率范围内,只要选用一台10kHz~1000MHz以上的频谱分析仪即可。

(2)LISN接入方法同前

(3)天线

采用吉赫芝横电磁波室(GTEM小室),其上、下底板与内部隔板所起的功能类似于接收天线,所以在终测配置中用到的接收天线予以取消。

(4)测试场地

由于开关电源的外形尺寸并不大,可望容纳在最近发展起来的吉赫芝横电磁波室(GTEM小室)中,而小室的工作频率范围也足以满足一般测试的需求。

尽管这种测试场地在CISPRll和GB4824标准中尚未表示认可,但在测试汽车用电子/电气零部件无线电干扰特性的CISPR25标准中,已经把 TEM小室法作为测试零部件/模块辐射发射特性的标准试验方法。GTEM小室则是TEM小室的发展,有较大的试验空间,且与使用的频率范围没有矛盾,因而 得到了越来越多的应用。

(5)测试方法  

对于10kHz~1000MHz的放射测试,采用GTEM小室和频谱仪的测试。为保证试验结果的重复性和可比性,EUT每次试验所放置的位置应予固定。

关于极化的测试问题:由于小室内部隔板与上、下底板之间的位置是固定的,因此只能通过EUT的转动,让EUT的几个面依次朝对隔板来实现。

(6) 其他替代测试方法
  
国际曾有人建议对小型电子设备采用类似于CLSPRl4一l(对应的我国国家标准是GB4343—l《家用和类似用途电动、电热器具、电动工具以及类似电 路的无线电干扰特性的测量方法和允许值》)中所提供的吸收钳(或称为功率探针、铁氧体钳)方法来测试EUT对外的辐射功率。利用吸收钳可以测量5MHz— 300MHz的传导干扰功率。采用此法的前提是EUT尺寸较小,其辐射到空间的能量主要是通过EUT的电源线等逸出的。因此,对这部分能量的测量可以用一 个环绕电源线的吸收装置来实现。这个吸收装置便被称为吸收钳。这个方法的优点是简便易行,对环境要求不高,在屏蔽室里便可进行,而且测试结果有很好的重复 性和可比性。电压、电流传导干扰可分别由电压探针和电流探针测出。图4、图5分别为电压探针和电流探针原理图。图6为电流探针测量电流传导干扰原理图。功 率探针原理见图7。


此法已在CISPRG分会上作为对CISPR22(对应的我国国家标准是GB9254《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》)的修订方案通过了该分会技术委员会的草案(CD),现已进入到秘书处起草成国际标准草案(FDIS)的阶段。

由于上述原因,此法在技术上有一定可行性,且方法简单、重复可比,配置价格较低。只是吸收钳法与辐射干扰的直接测量法之间还存在一个数据比对问题,但就方法而言,仍不失为一般企业可采取的一个很好的试验方法。

 


国内开关电源电磁兼容现况

自1983年我国YD/T983标准开始起草以来,国内开关电源制造商纷纷开始进行电磁兼容的研究。由于电磁兼容测试议器、试验场地建设费用很高,且需要 有经验的研发人员,很多制造商不能有自己的实验室,对开关电源电磁兼容的研发造成了困难。目前我国的开关电源产品,在YD/T983标准下,除雷击、浪 涌、ESD和EFT指标外,其他抗扰度指标容易达到。但是,电磁干扰指标(例如传导干扰和幅射干扰)大部分开关电源产品达不到指标要求。因此是目前研究开 关电源电磁兼容性的热点内容。

我国运用电磁兼容试验技术始于20世纪60年代前后,当时试验条件简陋,测量设备多半是国内自行研制的简易测量设备,测量手段也比较落后。1966年船舶 工业先行一步,制定了自己的行业测量标准JB-854—66《船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量方法及允许值》。进入20世纪80年代,国外先进的 电子测量设备大量涌进市场。国内一些重要的科研单位、大型生产厂家及某些高校先后兴建电磁兼容试验室,引进了成套的测量设备。

因电磁兼容领域与其他专业相比要更多地依赖于测量,而且电磁兼容测量对试验条件的要求又很严格。因此,随着国际电磁兼容标准的应用与转化,我国高标准的试验室陆续建成,专业技术队伍不断扩充壮大,这为电磁兼容试验技术的发展带来了机遇和条件保证。

目前的电磁兼容试验室大都以军标或民标为主,彼此适当兼顾,安装的测试设备与试验室规模与等级相配套。这种试验室可完成规定标准的规范测试,测试结果可指 明受试件是否满足规定标准要求。如果超标,则可给出超标的频点及超标量值;对于抗干扰性能检测,则给出受试件的实际抗扰度电平,亦即敏感度阈值。这种测试 是产品验收的最终检测手段,无论是新产品定型、产品上市流通,还是军品总装前的产品交付验收都是必不可少的。这类试验室大多能够根据相应标准作全自动化检 测,消除系统测试误差,从而得到精确的测试结果。

由于电磁兼容标准已被赋予法律效力,则电磁兼容测试结果的公正性与正确性就显得十分重要,它关系到一项设计能否被认可,一个产品能否成为合格产品,关系到 企业的命运。如何保证同一产品在不同试验室中测试结果的一致性呢?谁来保证试验室测试的公正性呢?这些工作正在纳人规范化管理之中。

1999年曾由国防部主办过一次试验室比对工作,最近又在筹备新一轮的比对工作,参加比对的试验室在有关部门组织下参照《ISO/IEC系列导则43— 1984(E)实验室能力测试的设誊及实施》,对同一被测试设备进行约定测试项目的测试。测试方法及测试要求均在比对文件中给出。最后由组织单位按规定对 测试结果进行数据处理。这对电磁兼容测量中量值的统一将起到重要作用。 

为了保证电磁兼容测试结果的公正性,首先要有一个在电磁兼容领域中具有权威组织作为认证机构。在确认标准规定要求得到满足后,认证机构有权颁发合格证书。 证机构按照标准EN450001/1900.5《测试试验室操作的通用标准》授权和控制试验室,使其具有合法身份,检查它的公正性、独立性、诚实性、技术 能量及质量管理体系。  

目前我国对电磁兼容试验室的认证工作已经开始,也出台了相应的标准。各试验室已按标准要求加强试验室管理。一些直接引进的试验室已拿到承制方申请的欧共体“CE"标记的认可证书。 

EMI诊断,即EMC预测试。EMC预测试的特点是在产品开发初期能够及早地发现设计的问题,它不需要苛刻的试验条件,也回避了购置昂贵测试设备的困难, 因此它有强大的生命力。它在整个产品的研制生产中仍是重要的测试手段,可及时检验产品的EMC设计是否合理,所采取的EMI抑制措施是否奏效,使设计人员 尽快了解要进一步抑制干需从哪些环节入手。

EMC设计应与产品电性能设计同步进行、综合考虑,这已被产品开发设计人员接受。一般产品的EMC测试在产品功能测试融为一体的可能。如当前信息产业部通 信计量中心引进的手机等专用信息产品的EMC测试试验室和测试设备就是在手机正常状态下检测相关的EMC指标。随着电子仪器的进步以及内装自检技术的应 用,测试技术正向多媒体化、网络化方向发展。未来的电子产品检测将是全方位、全自动化的测试。

近10年来,人们逐渐推广使用混响室进行电磁兼容试验。混响室是一个由金属墙壁构成的实验室,一般在测试室的天花板上装设一个搅拌器。将待测设备放在室 内,当搅拌器旋转时,使待测设备暴露于电磁场中。待测设备在场中的平均响应可通过响应对搅拌器旋转一周的时间周期进行积分来求得。混响室的金属墙壁容许在 室内建成一个强场。待测设备暴露于数个不同的极化组成的强场电平中。

在传统的电磁敏感度试验中,试验应在完全给定而不能任意选择的环境下进行,如在横电磁波小室或电波暗室中进行。在这种限定的环境下,场的极化与分布不随时 间改变,因为这些方法的工作原理是建立在一个单一优势模基的础上的。混响室的金属墙壁容光焕发许在室内建军成一个强场。待设备暴露于由数个不同的极化组成 的强场电平中。

在传统的电磁敏感度试验中,试验应在完全给定而不能任意选择的环境下进行,如在横电磁波小室或电波暗室中进行。在这种限定的环境下,场的极化与分布不随时 间改变,因为这些方法工作原理是建立在一个单一优势模基的础上的。混响室则没有给出一个限定性的场,但却提供了一个均匀的电磁环境,即室内各处能量密度均 匀,各向同性,各方向能流相同而极化是任意的,亦即所有波间的相位与极化是任意的。只要室内有大量本片模(在某一固定频率以上会出现这种情况),就可达到 上述要求。此外,简并情况(即在某频率下有多少模重合)与波形间隔是重要参量。混响室的主要优点是在该室内用一个适当的功率源就有可能建军立一个强场,因 此需要很高的品质因数Q。

最近,国外又在推广5m法电波暗室,与10m法电波暗室相比占用的空间要小得多,因而成本会大大下降。人们正在研究如何将5m法测试结果等效成10m法的结果,这一研究工作在国内外受到广泛关注,进展较快,预计在近期将会取得满意的成果。

此外,人们还提出另一种屏蔽小室—WTEM小室,其结构是半个TEM小室,但采用线阵结构而非板块结构。它与TEM小室相比并没有实质性的改变,但这种结构在改善电磁场的均匀性、降低本身的耦合与提高单模带宽方面比TEM小室,更容易实现。

由此可见,屏蔽测量技术今后还有较大的发展。以此为推动力,相应的理论研究、应用研究及其开发工作都将会受到更多的重视。

EMC测试必须依据EMC标准和规范给出的测试方法进行,并以标准规定的极限值作为判据。对于预相容测试,尽管不可能保证产品通过所有项目的标准测试,但至少可以消除绝大部分的电磁干扰,从而提高产品的可信度,而且能够指出如何改进设计、抑制EMI发射。

由于EMC测试是个复杂过程,而且与测试者经验和测试技术有关,所以测试结果重复性不理想。这样,建立自动测试系统,研究新的算法和测试手段就成为今后研究的热门课题[8]。

因为EMC设计与EMC测试是相辅相成的,EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的,所以对开关电源电磁兼容测试的研究具有重要意义。由于开关电源在 电子设备得到极为广泛的应用,因此,开关电源EMC是否达标,直接影响电子设备EMC能否达标。而我国目前的大部分开关电源产品达不到EMC指标要求,可 见这一领域还要花大气力去攻关。

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