開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試方法的研究

張 興，杜明星，魏克新

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試方法的研究

張 興，杜明星，魏克新

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

在電磁兼容性能的研究中，對(duì)設(shè)備的電磁干擾進(jìn)行測(cè)試顯得極為重要。開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中，但開關(guān)電源的小體積、高頻化必將引起大量的噪聲，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的電磁干擾，故對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行電磁干擾測(cè)試具有實(shí)際意義。以開關(guān)電源（型號(hào)NES-15-12）為例，用電流法和電壓法這兩種典型的傳導(dǎo)電磁干擾干擾測(cè)試方法，分別測(cè)量出開關(guān)電源在空載和帶載下產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾，有利于深入分析在不同工作狀態(tài)下其產(chǎn)生的電磁干擾情況，為電磁干擾測(cè)試技術(shù)的完善提供了有益的補(bǔ)充，具有一定的實(shí)際意義。

開關(guān)電源；傳導(dǎo)電磁干擾；測(cè)試方法

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)備的電磁兼容問題逐漸受到人們重視，因此電磁干擾測(cè)試技術(shù)正在不斷完善[1]。電磁干擾分為傳導(dǎo)電磁干擾和輻射電磁干擾。傳導(dǎo)電磁干擾是指存在于連接導(dǎo)線上的干擾，輻射電磁干擾是指存在于空間的電磁能量引起的干擾[2]，本文進(jìn)行的是傳導(dǎo)性電磁干擾測(cè)試。

開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在各種電力電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但開關(guān)電源的小體積、高頻化必將引起大量的噪聲，造成嚴(yán)重的電磁干擾[3]，因此必須對(duì)其進(jìn)行電磁干擾測(cè)試，了解其產(chǎn)生的電磁干擾情況。本文所使用的開關(guān)電源屬于交流/直流型（AC/ DC）開關(guān)電源，輸入為220V±15%，正常情況下可以輸出穩(wěn)定的+12V直流電壓。

1 測(cè)試原理

此次實(shí)驗(yàn)所需要的測(cè)量設(shè)備主要有電流探頭（型號(hào)F-16A），線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN，型號(hào)NNLK 8129），測(cè)試接收機(jī)（型號(hào)ESL3）和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN，型號(hào)M2-50A）。

1.1 電流探頭

電流探頭是根據(jù)法拉第原理設(shè)計(jì)的用來測(cè)量導(dǎo)線中干擾電流信號(hào)的磁環(huán)，本質(zhì)上是一個(gè)變壓器，使用電流探頭能夠測(cè)量流經(jīng)導(dǎo)線的干擾電流大小。流經(jīng)導(dǎo)線的電流會(huì)導(dǎo)致在導(dǎo)線周圍形成電磁通量場(chǎng)，電流探頭是為傳感這個(gè)磁通量場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)而設(shè)計(jì)的，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，其測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 電流探頭測(cè)量原理圖

電流探頭的構(gòu)造特點(diǎn)使其只對(duì)所圍繞導(dǎo)線的電流產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)外部場(chǎng)進(jìn)行有效的隔離。使用時(shí)，電流探頭夾在LISN和被測(cè)設(shè)備（EUT）之間的導(dǎo)線上，無需將電流探頭與被測(cè)電源線直接接觸，就可將測(cè)得的干擾電流轉(zhuǎn)換成干擾電壓。

1.2 LISN

根據(jù)GJB152A-97[4]規(guī)定，這里選用50Ω//50μH的V型結(jié)構(gòu)的LISN，其端口圖如圖2所示。LISN對(duì)被測(cè)電源線均提供3個(gè)端口：1端口接供電電源，2端口接EUT電源輸入端口，3端口則被用來接EMI測(cè)試接收機(jī)的50Ω輸入端或虛擬負(fù)載干擾輸出（50Ω終端電阻），作為干擾信號(hào)輸出端口。圖3為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其中，50μH電感和8μF電容構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器，可隔離電源側(cè)的高頻干擾；0.25μF電容為隔直電容，可將EUT側(cè)產(chǎn)生的高頻干擾傳至接收機(jī)中，從而保證接收機(jī)測(cè)得的干擾確實(shí)為EUT產(chǎn)生的；由圖3可知，在用接收機(jī)測(cè)試EUT側(cè)高頻干擾時(shí)，其可看作是50Ω電阻并聯(lián)在1kΩ電阻兩端，因此，當(dāng)去掉50Ω電阻時(shí)，1kΩ電阻為0.25μF電容提供放電通路，是耦合電流的泄放電阻[5]。

圖2 LISN的端口圖

由上可知，接收機(jī)所測(cè)得的電壓實(shí)際上就是由相線或中線電流流過50Ω電阻所產(chǎn)生的電壓，可得：

圖3 LISN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

式中UL,UN為相線和中線對(duì)地線的電壓，IL,IN為相線和中線電流。

1.3 CDN

圖4為CDN內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由圖4可知，信號(hào)輸入端口輸入的信號(hào)通過電容C2（10nF）和R（200Ω）耦合到線纜中，電感L（大于280uH）和電容C1（47nF）構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器[6]，從而使注入的干擾信號(hào)與電源端隔離，保證干擾信號(hào)只影響被測(cè)設(shè)備，防止干擾影響其他設(shè)備。這里CDN主要用于隔離開關(guān)電源與負(fù)載，防止負(fù)載產(chǎn)生的干擾影響到開關(guān)電源，從而保證測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖4 CDN的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試平臺(tái)

2.1 電流法

開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾電流法測(cè)試分布如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果

下，開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾在10dBuV～40dBuV之間。比較空載和帶載兩種情況下測(cè)試結(jié)果能看出，兩種情況下的傳導(dǎo)電磁干擾在測(cè)試頻段內(nèi)變化趨勢(shì)大體一致，基本都在20dBuV附近。開關(guān)電源在帶載時(shí)產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾明顯比空載時(shí)的干擾大，差值為1dBuV～6dBuV。

3.2 電壓法

3.2.1 空載

按照?qǐng)D6連接好電路，斷開C點(diǎn)，即為空載測(cè)試，測(cè)試頻段為150kHz～30MHz。根據(jù)示波器顯示，開關(guān)電源輸出+12V，其正常工作，保證測(cè)量準(zhǔn)確性，電壓法測(cè)得的開關(guān)電源空載情況下干擾電壓如圖9所示。

圖9 電壓法空載時(shí)干擾

3.2.2 帶載

按照?qǐng)D6連接好電路，接好電子負(fù)載，即為帶載測(cè)試，測(cè)試頻段為150kHz～30MHz。電壓法測(cè)得的開關(guān)電源帶載情況下干擾電壓如圖10所示。

圖10 電壓法帶載時(shí)干擾

由以上測(cè)試結(jié)果可知，空載情況下，開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾10dBuV～55dBuV之間；帶載情況下，開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾10dBuV～60dBuV之間。比較空載和帶載兩種情況下測(cè)試結(jié)果能看出，兩種情況下的傳導(dǎo)電磁干擾在測(cè)試頻段內(nèi)變化趨勢(shì)大體一致，基本集中15dBuV～40dBuV之間，開關(guān)電源在帶載時(shí)產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾明顯比空載時(shí)的干擾大，差值5dBuV～15dBuV。

綜上，在接負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾以及開關(guān)電源在不同的輸出狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)有所變化，所以帶載時(shí)產(chǎn)生的干擾會(huì)更大，故在負(fù)載和開關(guān)電源間放置CDN很有必要，它能隔離CDN兩側(cè)的傳導(dǎo)電磁干擾，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。電流法測(cè)得的干擾是由電流探頭通過對(duì)導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)而得到的，對(duì)某些頻段在感應(yīng)過程中可能會(huì)有感應(yīng)衰減，另外，導(dǎo)線上也會(huì)存在一定的信號(hào)衰減，電流探頭在導(dǎo)線上不同位置感應(yīng)出的干擾可能會(huì)有所差異。電壓法測(cè)得的干擾是通過LISN內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從實(shí)際電路里直接提取出來的，故信號(hào)更為準(zhǔn)確。電流法的測(cè)試結(jié)果可能會(huì)有些許偏差，但此方法簡(jiǎn)單易行，直接將探頭夾在測(cè)試線纜上即可，而電壓法必須使用LISN和50Ω終端負(fù)載，故方法選取視具體情況而定。

為了使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確，在使用電流探頭時(shí)應(yīng)使其更靠近LISN側(cè)[7]，或在LISN與EUT之間的導(dǎo)線上多處測(cè)量后取平均值。另外，在連接各設(shè)備時(shí)，應(yīng)使連接線盡可能短，且盡可能分散些。這是為了減少干擾信號(hào)在導(dǎo)線上的衰減，以及盡可能減少其他處的干擾通過空間電磁場(chǎng)耦合進(jìn)來。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣設(shè)備在工作時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生較強(qiáng)的電/磁場(chǎng)，這些電磁能量必然會(huì)產(chǎn)生不必要的電磁干擾，在電壓和電流快速變化的開關(guān)器件里，電磁干擾尤為嚴(yán)重。開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中。由本文測(cè)試結(jié)果可知，開關(guān)電源是一個(gè)大電磁干擾源，內(nèi)部干擾情況復(fù)雜，在空載和帶載時(shí)干擾變化嚴(yán)重，不同工作狀態(tài)下產(chǎn)生的電磁干擾波動(dòng)劇烈。所以，必須根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)不同工作狀態(tài)下的開關(guān)電源進(jìn)行傳導(dǎo)EMI測(cè)試，然后再將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的極限值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾是否超標(biāo)，同時(shí)為之后的電磁兼容整改問題提供幫助。所以，對(duì)開關(guān)電源的測(cè)試方法及測(cè)試技巧的研究具有重要的工程意義。

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[1] 劉尚合,劉衛(wèi)東.電磁兼容與電磁防護(hù)相關(guān)研究進(jìn)展[J].高壓電技術(shù),2014.

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Study on test method of electromagnetic interference conducted by switching mode power supply

ZHANG Xing, DU Ming-xing, WEI Ke-xin

TP214

：A

1009-0134(2017)03-0064-04

2016-11-24

張興（1994 -），男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)性電磁兼容。