侯燕春,楊 雪,石彥超,郗 琦,吳華兵
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)
隨著電子產(chǎn)品集成度的提高和電子行業(yè)對(duì)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行力度的增強(qiáng),需對(duì)早期產(chǎn)品頻繁超標(biāo)的電源線傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性測(cè)試,現(xiàn)今整改的需求越加強(qiáng)烈。對(duì)軍品電子設(shè)備,GJB151B 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了 0.025~10 kHz、0.01~10 MHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射限值,即電源線傳導(dǎo)發(fā)射不能超過(guò)該限值規(guī)定的量值;對(duì)民品電子設(shè)備,相關(guān)民品標(biāo)準(zhǔn)中也有關(guān)于發(fā)射限值的要求。
在電磁兼容測(cè)試中,電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)整改,是4 類(lèi)電磁兼容項(xiàng)目傳導(dǎo)發(fā)射、傳導(dǎo)抗擾度、輻射發(fā)射、輻射抗擾度中整改相對(duì)靈活、易行的一類(lèi)。
本文從電磁兼容三要素出發(fā),通過(guò)分析電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)特性,快速定位干擾源,對(duì)干擾源、受擾設(shè)備采取濾波整改措施,達(dá)到減小電源線傳導(dǎo)發(fā)射的目的。文中以某電機(jī)電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)快速定位為例進(jìn)行說(shuō)明,并對(duì)其中的共模干擾采取濾波整改措施。
電源從20 世紀(jì)30 年代初期的鐵磁諧振穩(wěn)壓器,經(jīng)歷電子管交流穩(wěn)壓器、晶體管和可控硅交流穩(wěn)壓器,發(fā)展到開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源和程控電源。其體積越來(lái)越小,質(zhì)量越來(lái)越輕,性能不斷提高[1]。同時(shí),也帶來(lái)了系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率、諧波、整流諧波等,以及在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換中固有的高速電流和電壓瞬變,均可產(chǎn)生干擾發(fā)射。電源本身產(chǎn)生的噪聲也可通過(guò)傳導(dǎo)方式直接影響用電設(shè)備,噪聲返回電網(wǎng),對(duì)公用電源的其他電子產(chǎn)品造成影響。同時(shí)由于電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合,如果電源線深入機(jī)箱過(guò)長(zhǎng),干擾也會(huì)沿電源線向外傳導(dǎo)[2,3]。
如果電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)設(shè)計(jì)不當(dāng),干擾發(fā)射將超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。
電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾問(wèn)題是否產(chǎn)生取決于引入信號(hào)的大小、系統(tǒng)對(duì)噪聲的抑制能力和接地結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)電源線上的傳導(dǎo)干擾信號(hào),可用共模和差模干擾信號(hào)表示,其等效電路如圖1 所示。共模噪聲等效電路,可等效為一個(gè)電容Cp和電阻Rp并聯(lián)分布的容性高阻抗電流源;差模噪聲等效電路由兩部分組成,電容Cp'和電阻Rp'并聯(lián)分布組成的高阻抗電路和串聯(lián)分布電感Ls和電阻Rs組成的低阻抗電路,這兩部分電路不同時(shí)存在。根據(jù)干擾類(lèi)型,依據(jù)等效電路模型,選取相應(yīng)濾波網(wǎng)絡(luò)[1]。干擾信號(hào)可能是差模的,也可能是共模的[2]。
圖1 共模、差模等效電路 Fig.1 CM and DM Equivalent Circuit
當(dāng)發(fā)生電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾或超標(biāo)時(shí),本文提出如下方法實(shí)現(xiàn)超標(biāo)快速診斷,完成干擾定位和分析,為整改提供依據(jù)。具體為:
a)選取測(cè)試方法,首先獲取被測(cè)件電源線傳導(dǎo)發(fā)射特性,確定超標(biāo)頻率、幅值。如選取GJB151B 規(guī)定的電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試方法,獲得電源線上的傳導(dǎo)電流或耦合電壓大小與測(cè)試頻率的關(guān)系、傳導(dǎo)發(fā)射幅值大小。
b)分析被測(cè)件系統(tǒng)內(nèi)的供電關(guān)系,為定位干擾源,排查干擾路徑做準(zhǔn)備。如某被測(cè)件由電源、控制和執(zhí)行三部分組成,執(zhí)行部分由功率較大的A 和功率較小的B 兩部件組成。電源部分提供DC28 V 供給控制、執(zhí)行A 部件;同時(shí)該DC28 V 經(jīng)變換,輸出±15 V,供執(zhí)行B 部件使用。則可能功率較大的執(zhí)行A 部件工作后,干擾噪聲返回電源線,對(duì)功率較小的B 部件的正常工作造成干擾。
c)在a)基礎(chǔ)上,依次使被測(cè)件各部分逐級(jí)斷電,觀察電源線上傳導(dǎo)電流或耦合電壓的變化;結(jié)合b)的分析,判斷干擾源。
d)根據(jù)干擾源的發(fā)射頻率特性,判斷干擾類(lèi)型(見(jiàn)圖1);結(jié)合整改難易,對(duì)干擾源或受擾設(shè)備電源端口采取濾波的整改措施,以降低發(fā)射,實(shí)現(xiàn)兼容工作。如根據(jù)超標(biāo)特性,判斷干擾為共模干擾,對(duì)受擾設(shè)備添加LC 低通濾波器,降低測(cè)試頻段內(nèi)的頻點(diǎn)發(fā)射。
針對(duì)不同類(lèi)型電子產(chǎn)品要求,選取電源線傳導(dǎo)測(cè)試頻段、測(cè)試配置、工作模式,獲取傳導(dǎo)發(fā)射特性,分析工作狀態(tài)對(duì)發(fā)射特性的影響,判斷干擾主要來(lái)源。
以某型電機(jī)電源線傳導(dǎo)發(fā)射為例,依據(jù)電源線傳導(dǎo)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)要求,頻率選擇0.1~30 MHz,選取電源線-LISN-接收機(jī)方法,LISN 信號(hào)輸出端,獲取電源線傳導(dǎo)發(fā)射信號(hào)。測(cè)試配置如圖2 所示,測(cè)試布局照片如圖3 所示。
圖2 測(cè)試配置 Fig.2 Test Configuration
圖3 測(cè)試布局照片 Fig.3 Test Layout Picture
對(duì)DC24 V 電源正線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試,極限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅值曲線如圖4(正常工作狀態(tài),DC24 V、DC300 V 均輸出)、圖5(僅DC24 V 輸出)所示。 圖4 中,0.5~30 MHz 超出限值,其中頻率為2.37 MHz時(shí)超標(biāo)最大,超出限值30.13 dB;圖5 中,1~30 MHz點(diǎn)頻超出限值,其中頻率為4 MHz 時(shí)超標(biāo)最大,超出限值6.47 dB,發(fā)射值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)限值。
圖4 極限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線(正常工作狀態(tài)) Fig.4 Limit Line and Amplitude-frequency Curve Graph of Test Data
圖5 極限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線(僅DC24V) Fig.5 Limit Line and Amplitude- frequency Curve Graph of Test Data(Only DC24V Work)
分析該電機(jī)供電關(guān)系。該電機(jī)供電分為DC24 V和DC300 V 兩路,DC24 V 供給控制組件,DC300 V驅(qū)動(dòng)高功率執(zhí)行機(jī)構(gòu),DC24 V 和DC300 V 同時(shí)輸出為電機(jī)正常工作狀態(tài)。DC24 V 能夠單獨(dú)輸出, DC300 V 需在DC24 V 控制下輸出?;谏鲜龉╇娫O(shè)計(jì),高功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作產(chǎn)生的噪聲,可能耦合或輻射至DC24 V 電源線,造成DC24 V 電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo),甚至影響DC24 V 用電設(shè)備的正常工作。
分析上述測(cè)試結(jié)果:
a)電機(jī)正常工作下,0.05~30 MHz 超出極限值,其中頻率為2.37 MHz 時(shí)超標(biāo)最大,超過(guò)限值30.13 dB。即電機(jī)正常工作時(shí),表現(xiàn)為連續(xù)頻段、高幅值超標(biāo)。
b)僅DC24 V 輸出,主要表現(xiàn)為1.2 MHz、1.6 MHz等點(diǎn)頻發(fā)射超過(guò)限值要求,發(fā)射幅值超過(guò)限值最高6.47 dB。在0.05~30 MHz(電機(jī)正常工作時(shí)的超標(biāo)頻段)的發(fā)射均明顯降低,2.37 MHz 發(fā)射降低約25 dB。
c)結(jié)合a)、b),判斷DC300 V 輸出產(chǎn)生的噪聲,耦合或輻射至DC24 V 電源線,造成DC24 V 電源正線頻段性傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo),超標(biāo)幅值增加大于20 dB。
根據(jù)大量設(shè)備傳導(dǎo)干擾的經(jīng)驗(yàn),有0.01~0.1 MHz主要為差模干擾,0.1~1 MHz 差模、共模干擾共存,1~30 MHz 主要為共模干擾[1]。
綜上,該電機(jī)DC24 V 電源正線傳導(dǎo)發(fā)射:在電機(jī)正常工作下,差模、共模干擾共存,發(fā)射幅值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值最高約30 dB;僅DC24 V 輸出時(shí),主要為共模干擾,發(fā)射幅值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值最高約7 dB;DC300 V輸出惡化了DC24 V 電源正線傳導(dǎo)發(fā)射,使傳導(dǎo)發(fā)射增加大于20 dB。
以電機(jī)DC24 V 輸出超標(biāo)整改為例。經(jīng)上述干擾定位及分析可知,僅DC24 V 輸出時(shí),主要為共模干擾。擬采取在DC24 V 電源線端口添加共模電感LCM和電容CLG組成的兩元件L 型低通濾波器。濾波器的諧振頻率f0,為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試頻段要求,理想下應(yīng)控制f0低于10 kHz,可計(jì)算為[1]
初步選取LCM=75 μH、電容CLG=4.7 μF,測(cè)試結(jié)果如圖6 所示(僅DC24 V 輸出,連接75 μH、4.7 μF 濾波網(wǎng)絡(luò))。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),原超標(biāo)頻點(diǎn)超標(biāo)幅值平均降低優(yōu)于5 dB,已滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)在1~30 MHz,60 dBμV 的限值要求。
圖6 極限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線 Fig.6 Limit Line and Amplitude-frequency Curve Graph of Test Data
濾波器的作用好壞,取決于安裝是否正確[4]。最有效的安裝位置是在機(jī)殼的進(jìn)線口上,要求濾波器的外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接,避免使用過(guò)長(zhǎng)的接地線,最好直接接地。
本文采取的電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)快速診斷方法,完成了某電機(jī)電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的定位和分析。并驗(yàn)證了在電源端口添加LC 低通濾波器的整改措施的有效性。