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        軍用EMC 標(biāo)準(zhǔn)CS101 試驗方法的演變和改進(jìn)探討

        2021-09-10 10:56:28熊熠明郭華棟陳思陽
        關(guān)鍵詞:紋波測試方法限值

        熊熠明,郭華棟,陳思陽

        (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

        0 引言

        軍用EMC 標(biāo)準(zhǔn)中的電源線傳導(dǎo)敏感度試驗項目CS101,是所有軍用裝備必須通過的5 項測試項目之一。為了提高測試準(zhǔn)確性,CS101 項目的測試方法和限值進(jìn)行了持續(xù)的更新。為了解CS101 項目的演變過程,以下將詳細(xì)地闡述各個版本中CS101 項目的測試方法,并探討測試方法改進(jìn)的原因,提出進(jìn)一步完善測試方法的建議。

        1 軍用EMC 標(biāo)準(zhǔn)CS101 項目演變

        軍用EMC 標(biāo)準(zhǔn)常用的為MIL-STD-461462 系列和GJB 151152 系列。國軍標(biāo)在借鑒美軍標(biāo)的基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)的實際情況進(jìn)行了剪裁和改進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)最新版本為GJB 151B-2013、MIL-STD-461G。主要版本標(biāo)準(zhǔn)的制定變化情況如表1 所示[1-10]。

        2 CS101 測試方法更新介紹

        MIL-STD-46462 早期版本和GJB 151152中包括一個CS01 試驗方法。1993 年MIL-STD-461D462D中開始引入CS101 測試項目。1997 年國軍標(biāo)更新為GJB 151A152A 版本,全面對標(biāo)美軍標(biāo)D 版本。CS101 測試項目的變化內(nèi)容如表1所示。

        表1 軍用EMC 測試標(biāo)準(zhǔn)CS101 項目的變化

        2015 年發(fā)布的MIL-STD-461G中,CS101 項目的變化主要包括以下兩個方面[8-11]:

        1)最大工作電流不超過30 A,而MIL-STD-461F中工作電流為不超過100 A;

        2)增加了一種新的注入電平監(jiān)測方法,可以用示波器進(jìn)行時域測量,也可以用配備了紋波監(jiān)測探頭的接收機進(jìn)行頻域測量,如圖1 所示。

        圖1 MIL-STD-461G中CS101 項目測試配置框圖

        2.1 限定被測設(shè)備工作電流分析

        CS101 項目測試過程中,由于圖1 受試設(shè)備(EUT)的負(fù)載電流作用,耦合變壓器的初級端會耦合出感應(yīng)電壓。負(fù)載電流很大時,變壓器初級端的感應(yīng)電壓也很大。工頻感應(yīng)電壓反灌回功放,導(dǎo)致功放不能正常工作甚至損壞?,F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中提出在功放輸出端串聯(lián)一個相位相反的耦合變壓器(該變壓器次級輸出端并聯(lián)跟EUT 阻抗相近的假負(fù)載),新增變壓器初級端會產(chǎn)生大小相同、極性相反的感應(yīng)電壓,從而實現(xiàn)在功放輸出端感應(yīng)電壓的相互抵消,以保護音頻功放在大電流負(fù)載情況下的安全[3]。但是阻抗相近的假負(fù)載很難配備,委托方也很難提供兩臺同樣的EUT。參考文獻(xiàn)[12-16]中通過仿真分析等手段,提出了各種解決方案,但沒有通用的解決辦法。

        大量的實際測試案例表明,大電流設(shè)備接入耦合變壓器后,由于變壓器內(nèi)阻上的壓降過大,EUT 會出現(xiàn)不能啟動等現(xiàn)象。美軍方從MIL-STD-461F 開始就限制了被測設(shè)備的工作電流,要求不超過100 A,MIL-STD-461G 直接限制到30 A。標(biāo)準(zhǔn)制定方已經(jīng)認(rèn)識到,工作電流超過30 A 的設(shè)備,電源系統(tǒng)存在的紋波已經(jīng)高于CS101 測試的注入干擾量級,不需要再進(jìn)行CS101測試(特殊設(shè)備除外)[9]。

        限定設(shè)備工作電流進(jìn)行測試有以下優(yōu)點:

        1)客觀評價大電流設(shè)備的實際工作情況,委托方的測試費用下降、測試時間縮短;

        2)大大地降低工頻感應(yīng)電壓倒灌回功放的發(fā)生概率,有效地保護測試功放安全;

        3)減少了實驗室設(shè)備投入,不需要研制特殊的低阻抗、大電流(大于50 A)耦合變壓器。

        2.2 CS101 接收機測量方法分析

        測試交流設(shè)備時,功放注入電壓監(jiān)測一直是個難題。示波器監(jiān)測方法受EUT 供電交流電壓的影響,注入的干擾小信號往往被交流電壓的紋波掩蓋而難以準(zhǔn)確地測量。常用的解決方式是在電路中接入相應(yīng)工作頻率的交流陷波器。部分實驗室采用示波器的FFT 測量模式,獲得注入頻點的電壓數(shù)據(jù)后,手動進(jìn)行EUT 的CS101 項目試驗[12]。

        參考文獻(xiàn)[8]中提出一種使用接收機進(jìn)行交流CS101 項目試驗方法,如圖2 所示。其方法為用1 kΩ 無感采樣電阻分流,“6741-1”電流探頭將電流轉(zhuǎn)換成電壓,用接收機讀取注入頻率信號的電壓值,從而避免被測設(shè)備交流電源對測試示波器讀數(shù)的干擾。電流探頭和接收機結(jié)合的方式,可利用接收機的選頻特性和動態(tài)范圍大的優(yōu)點,精確地測量注入頻點對應(yīng)的電壓值。

        圖2 接收機電流探頭等效測量電壓方法

        MIL-STD-461G 也是利用接收機的頻域測量設(shè)計思想,用紋波監(jiān)測探頭(Ripple Detector)替代圖2中的監(jiān)測裝置。紋波監(jiān)測探頭有兩路輸入,通過切換可分別監(jiān)測電源端和變壓器注入端的紋波情況[9]。紋波監(jiān)測探頭專為CS101 測試設(shè)計的傳導(dǎo)因子如圖3 所示,為了適應(yīng)交流電壓大于28 V 量級限值1 要求,其最大衰減量級為80 dB。5 kHz開始,按照限值的變化趨勢,減少監(jiān)測探頭的衰減系數(shù),保證接收機監(jiān)測端動態(tài)范圍相對穩(wěn)定。

        圖3 紋波監(jiān)測探頭CS101 模式傳導(dǎo)因子

        引入接收機和紋波監(jiān)測探頭組合測量方式,完美地解決了以往CS101 項目交流測試的功放注入電壓監(jiān)測難點,并且將測試儀器與EUT電壓安全隔離,測試過程更安全可靠。

        2.3 CS101電壓限值的演變

        CS101 項目關(guān)鍵頻點電壓、功率統(tǒng)計如表2 所示[3,7]。1999 年發(fā)布的MIL-STD-461E 將測試頻率擴展到150 kHz,功率校準(zhǔn)值從MIL-STD-461D時期的全頻段80 W,改為與曲線1電壓限值匹配一致。目前GJB 151B-2013、MIL-STD-461G 也延續(xù)了MIL-STD-461E 的限值規(guī)定。

        表2 CS101 關(guān)鍵頻點電壓限值、校準(zhǔn)功率統(tǒng)計

        3 未來國軍標(biāo)CS101 項目改進(jìn)探討

        3.1 測試方法改進(jìn)建議

        針對目前CS101 項目存在的問題,提出了以下2 個方面的改進(jìn)建議。

        a)限定被測設(shè)備工作電流不超過30 A,工作電流超過30 A 的設(shè)備不需要進(jìn)行CS101 項目測試;大電流特殊設(shè)備可以選做。

        b)交流設(shè)備的CS101 項目測試,統(tǒng)一采用接收機加紋波監(jiān)測探頭方式;直流設(shè)備的CS101 測試可采用示波器直接測試或接收機加紋波監(jiān)測探頭的方法。

        3.2 電壓和功率限值的調(diào)整

        CS101 項目限值已多年未修訂,建議按照以下方法進(jìn)行修改。

        a)測試頻率設(shè)定為25 Hz~300 kHz,擴展注入干擾頻率范圍。隨著集成電源芯片設(shè)計的發(fā)展,DC/DC、AC/DC電源模塊為了減少體積、降低儲能元器件成本,采用的開關(guān)頻率已經(jīng)從幾十千赫,發(fā)展到幾百千赫以上,CS101 項目測試頻率應(yīng)擴展到300 kHz,目前的專用音頻功放指標(biāo)已能覆蓋這一頻段。

        b)100~300 kHz 頻段的測試電壓限值變?yōu)橹本€段。曲線1 的電壓阻值最低為110 dBμV,曲線2 的電壓限值最低為100 dBμV,如圖4 所示。相應(yīng)的校準(zhǔn)功率,100~300 kHz 頻段為0.2 W。提高干擾量級,加強對EUT 的干擾強度。降低信號源和功放在100~300 kHz 頻段的小功率輸出要求。

        圖4 CS101 項目25 Hz~300 kHz 建議限值

        4 結(jié)束語

        軍用裝備中CS101 測試項目的主要目的就是檢驗電源線傳導(dǎo)干擾的敏感性,電源線傳導(dǎo)干擾是影響軍用裝備電磁兼容性的常見干擾源,嚴(yán)重影響軍用裝備的使用效果,需要在電源輸入端口增加濾波模塊,保護功能電路不受到外界電磁干擾。結(jié)合多年CS101 項目測試的體會與思考,整理歸納了使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題,并就標(biāo)準(zhǔn)完善在測試方法、限值規(guī)定等方面提出建議,以使軍用裝備CS101 項目的測試更合理、更易操作。為適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展,呼吁盡快更新國軍標(biāo)CS101 的測試方法。

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