張一龍，呂鵬，霍玉杰，楊柳

（大唐移動(dòng)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(cè)試的改進(jìn)方法

張一龍，呂鵬，霍玉杰，楊柳

（大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司研發(fā)中心，北京100083）

針對(duì)TD-LTE通信基站設(shè)備電源端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí)開關(guān)電源模塊單體能通過測(cè)試，但基站設(shè)備不能通過測(cè)試的情況，對(duì)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(cè)試的改進(jìn)方法。實(shí)測(cè)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(cè)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(chǎng)之前，需要經(jīng)過一系列的強(qiáng)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(xiàng)測(cè)試，若順利地通過測(cè)試并取得認(rèn)證證書，能夠加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的進(jìn)度；反之，若不能通過測(cè)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(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)以某型號(hào)基站設(shè)備BSE及其電源模塊為例進(jìn)行闡述。

1　測(cè)試過程與問題

現(xiàn)以某型號(hào)基站設(shè)備BSE及其電源模塊為例，闡述目前傳導(dǎo)測(cè)試的過程和出現(xiàn)的問題?；驹O(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(gòu)件，所以在只有電源模塊研發(fā)樣機(jī)的情況下，并不能準(zhǔn)確測(cè)試出整個(gè)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(fù)載的替代方法來預(yù)估電源是否能滿足整機(jī)的要求。

圖1中所示為對(duì)電源模塊輸入端口進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾測(cè)試示意。在測(cè)試中，使用水泥負(fù)載來模擬基站設(shè)備內(nèi)部各板卡對(duì)電能的消耗，使電源模塊達(dá)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(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行約束。若測(cè)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(cè)試配置中基站設(shè)備整機(jī)電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試結(jié)果。值得注意的是，在圖2的測(cè)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(cè)試示意（使用水泥負(fù)載）Fig.1 Conducted emission test on SMPS（with cement load used）

圖2　基站設(shè)備整機(jī)的電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試（使用板卡負(fù)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(fù)載代替板卡負(fù)載并不能完全保證基站設(shè)備整機(jī)能夠順利通過測(cè)試。對(duì)于某些型號(hào)的基站設(shè)備及其電源模塊，使用水泥負(fù)載不僅不能保證整機(jī)通過測(cè)試，甚至?xí)黾诱麢C(jī)測(cè)試不通過的風(fēng)險(xiǎn)。

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(fù)載和板卡負(fù)載時(shí)的傳導(dǎo)騷擾預(yù)掃譜線。為提高測(cè)試效率，使用PK（peak）值檢波器和平均AV（average）值檢波器進(jìn)行預(yù)掃，再在PK值幅值較高的頻點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)峰值QP（quasi-peak）。對(duì)比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于測(cè)試配置與負(fù)載的不同導(dǎo)致寄生參數(shù)存在差異，前后測(cè)試中騷擾電流的諧振點(diǎn)和Q值不盡相同。使用水泥負(fù)載時(shí)，最大PK值約44 dBμV，最大AV值約35 dBμV；使用板卡負(fù)載時(shí)，最大PK值約52 dBμV，最大AV值約50 dBμV。二者測(cè)試結(jié)果差異很大，且使用水泥負(fù)載的測(cè)試結(jié)果更低，無法預(yù)知使用板卡進(jìn)行測(cè)試時(shí)，整機(jī)能否通過測(cè)試。

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

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

2　水泥負(fù)載測(cè)試方法的缺陷分析

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

2.1負(fù)載的阻抗屬性不同

使用水泥負(fù)載進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為使電源模塊達(dá)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(fù)載并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)電源模塊的額定輸出功率。然而，使用水泥負(fù)載只能保證直流或者低頻時(shí)電源模塊的負(fù)載阻抗接近板卡負(fù)載阻抗，在傳導(dǎo)騷擾的測(cè)試頻段，兩種測(cè)試方法的負(fù)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(cè)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(fù)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(fù)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(cè)試時(shí)輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑如圖5所示。由于水泥負(fù)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(fù)載與機(jī)殼間的寄生電容C1和C2很小，所以對(duì)共模騷擾的抑制能力更為明顯。水泥負(fù)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(fù)載阻抗增加，噪聲電流降低。

圖5　電源模塊測(cè)試時(shí)輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑（使用水泥負(fù)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(jī)電源輸入端口的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí)，電源模塊的負(fù)載為各個(gè)板卡，即真實(shí)負(fù)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(shí)，板卡上地層、信號(hào)包地、散熱片等結(jié)構(gòu)的存在，會(huì)增加負(fù)載到地間的雜散電容。整機(jī)測(cè)度時(shí)輸出線上的傳導(dǎo)路徑如圖6所示，實(shí)際板卡負(fù)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(fù)載阻抗降低，噪聲電流增加。

圖6　基站設(shè)備整機(jī)測(cè)試時(shí)輸出線上高頻騷擾的傳導(dǎo)路徑（使用板卡負(fù)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(fù)載得到的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果會(huì)較真實(shí)值偏低。即便在限值上加嚴(yán)了6 dB，仍然會(huì)出現(xiàn)使用水泥負(fù)載測(cè)試通過而板卡負(fù)載測(cè)試不通過的情況。

2.2負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能不同

使用水泥負(fù)載進(jìn)行測(cè)試時(shí)，負(fù)載的阻抗相對(duì)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(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。而且，由于水泥負(fù)載將電能100%轉(zhuǎn)化為熱能，溫升明顯，導(dǎo)致負(fù)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(fù)載進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于板卡上存在多個(gè)數(shù)字及模擬組件，正常工作時(shí)，尤其是工作狀態(tài)切換時(shí)，阻抗快速變化，動(dòng)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(shí)，模擬及數(shù)字板卡正常工作時(shí)，會(huì)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(fù)載顯著，從電源輸出口看總的負(fù)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(fù)載進(jìn)行測(cè)試的差異化對(duì)照結(jié)果見表1。

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

2　動(dòng)態(tài)容性負(fù)載替代測(cè)試方法

2.1動(dòng)態(tài)容性負(fù)載測(cè)試定性分析

在傳導(dǎo)騷擾測(cè)試中，水泥負(fù)載和板卡負(fù)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(duì)電源端口傳導(dǎo)騷擾的影響。從理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果來看，基站內(nèi)板卡狀態(tài)切換的過程，即動(dòng)態(tài)的容性負(fù)載阻抗對(duì)電源模塊的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試最為不利，所以考慮使用具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)的電子負(fù)載來模擬板卡工作狀態(tài)的切換過程，如圖7所示。

電子負(fù)載調(diào)至定電阻高量程CRH（constant resistance high voltage range）模式，同時(shí)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(dá)到與使用板卡負(fù)載時(shí)相同的輸出功率。此時(shí)，電源模塊整體負(fù)載表現(xiàn)為Z3=R-JωC（C＞0）的形式，更接近實(shí)際板卡的負(fù)載屬性。通過編程實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的動(dòng)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(cè)試時(shí)，將電子負(fù)載機(jī)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(fù)載機(jī)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(shí)際板卡負(fù)載與基站設(shè)備機(jī)殼間固有寄生電容的情形。

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

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

3.2實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

基站設(shè)備BSE使用動(dòng)態(tài)容性負(fù)載測(cè)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(jī)殼內(nèi)部，并聯(lián)的電子負(fù)載由于體積太大，只能放于BSE的機(jī)殼外部，但要盡量接近機(jī)殼放置。測(cè)試時(shí)使用的電子負(fù)載為Chroma 63106A。

使用動(dòng)態(tài)容性負(fù)載時(shí)，最大PK值約為56 dB μV，最大AV值約為50 dBμV，比使用板卡負(fù)載時(shí)略高。通過圖9和圖2的對(duì)比容易發(fā)現(xiàn)，2種不同測(cè)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(gè)頻段出現(xiàn)了諧振點(diǎn)，且諧振頻率十分接近。使用動(dòng)態(tài)容性負(fù)載得到的測(cè)試結(jié)果稍差于使用板卡負(fù)載的測(cè)試結(jié)果，這對(duì)電源模塊設(shè)計(jì)初期進(jìn)行裕量設(shè)計(jì)、整改和預(yù)計(jì)BSE整個(gè)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(cè)試（使用動(dòng)態(tài)容性負(fù)載）Fig.8 Conducted emission test on SMPS（with dynamic capacitive load）

圖9　使用動(dòng)態(tài)容性負(fù)載的測(cè)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(dòng)態(tài)容性負(fù)載測(cè)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(fù)載的測(cè)試方法，該方法更接近基站設(shè)備整機(jī)的測(cè)試結(jié)果。而且，由于動(dòng)態(tài)容性負(fù)載的測(cè)試配置更加嚴(yán)苛，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)電源模塊設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)并在更大程度上保證基站設(shè)備整機(jī)順利通過測(cè)試。

［1］孫超，王立欣，張剛，等.AC/DC變換器傳導(dǎo)EMI實(shí)驗(yàn)分析［J］.電源學(xué)報(bào)，2013，11（3）：26-30，41. Sun Chao，Wang Lixin，Zhang Gang，et al.Analysis on conducted EMI mechanism of AC/DC Converter［J］.Journal of Power Supply，2013，11（3）：26-30，41（in Chinese）.

［2］中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).LTE數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)電磁兼容性要求和測(cè)量方法，第2部分：基站及其輔助設(shè)備，YDB 086.2-2012［S］.北京：人民郵電出版社，2012.China Communications Standards Association.Requirement and measurement methods of electromagnetic compatibility for LTE digital mobile telecommunications system，Part 2：Base station and ancillary equipment，YDB 086.2-2012［S］.Beijing：People's Posts and Telecommunications Press，2012（in Chinese）.

［3］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法，GB 9254-2008［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.China National Standardization Management Committee. Information technology equipment-radio disturbance characteristics-limits and methods of measurement，GB 9254-2008［S］.Beijing：China Standard Press，2008（in Chinese）.

［4］Esteban M C，Arteche F，Iglesias M，et al.Power network impedance effects on noise emissionof DC-DC converters［C］.Topical workshop on electronics for particle physics，Vienna，Austria，2011.

［5］Arteche F，Esteban C，Echevarria I，et al.Global noise studies for CMS tracker upgrade［C］.Topical workshop on electronics for particle physics，Aachen，Germany，2010.

［6］Vincent W G.Controlling conducted emissions from DCDC converters［EB/OL］.http：//emcintegrity.com.

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(hào)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(jí)工程師，研究方向：射頻電路，E-mail：yangliu @datangmobile.cn。

2015-11-24