何觀寰 陳正茂 王 鑫 杜華杰

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

大量電磁兼容測(cè)試經(jīng)驗(yàn)表明，許多電子產(chǎn)品在電磁兼容發(fā)射測(cè)試（EMI）時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)隨產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間的增加而變化。在同樣的試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備、環(huán)境、輔助設(shè)備情況下，僅因產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間的不同就導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果的差異。猜想可能是隨運(yùn)行時(shí)間增加，產(chǎn)品機(jī)內(nèi)溫度升高，使得電路中電子元器件的電磁特性發(fā)生變化，進(jìn)而改變了產(chǎn)品的EMC 性能，最終導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生變化。為了驗(yàn)證這一猜想，本次進(jìn)行了運(yùn)行時(shí)間和機(jī)內(nèi)溫度對(duì)EMI 測(cè)試結(jié)果影響的對(duì)比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)隨機(jī)挑選的5 款不同品牌、不同型號(hào)的電源適配器作為EMI 測(cè)試對(duì)象，樣品編號(hào)分別為1#～5#。測(cè)試項(xiàng)目選定為交流電源端口的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試（下稱“傳導(dǎo)測(cè)試”）。

傳導(dǎo)測(cè)試依據(jù)GB/T 9254.1-2021《信息技術(shù)設(shè)備、多媒體設(shè)備和接收機(jī)電磁兼容第1 部分：發(fā)射要求》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，電源適配器按B 級(jí)設(shè)備限值要求。

試驗(yàn)在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為溫度25.3 ℃，濕度56 %RH。主要測(cè)試儀器有EMI 測(cè)量接收機(jī)、人工電源網(wǎng)絡(luò)、80 cm 絕緣桌子、熱成像儀、熱風(fēng)機(jī)、水泥電阻負(fù)載等。一共設(shè)有兩組對(duì)比試驗(yàn)：不同運(yùn)行時(shí)間的測(cè)試、不同機(jī)內(nèi)溫度的測(cè)試。試驗(yàn)步驟如下：

1.1 不同運(yùn)行時(shí)間的測(cè)試

1）將樣品的機(jī)殼拆下，以便于熱成像儀探測(cè)機(jī)內(nèi)溫度變化情況；

2）依據(jù)GB/T 9254.1-2021 對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)布置，樣品端接相應(yīng)規(guī)格水泥電阻，使其保持額定功率輸出狀態(tài)；

3）樣品上電工作后立即進(jìn)行交流電源端口的傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄為“工作0 min 傳導(dǎo)數(shù)據(jù)”（如圖1 所示），并且使用熱成像儀測(cè)量此時(shí)樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“工作0 min 溫度狀態(tài)”（如圖2 所示）；

圖1 樣品1#工作0 min 傳導(dǎo)數(shù)據(jù)

圖2 樣品1#工作0 min 溫度狀態(tài)

4）保持試驗(yàn)布置、工作狀態(tài)等條件不變，樣品上電工作每10 min，進(jìn)行一次交流電源端口的傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄為“工作n min傳導(dǎo)數(shù)據(jù)”（如圖3所示），并且使用熱成像儀測(cè)量此時(shí)樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“工作n min 溫度狀態(tài)”（如圖4 所示），直到上電工作30 min。

圖3 樣品1#工作30 min 傳導(dǎo)數(shù)據(jù)

圖4 樣品1#工作30 min 溫度狀態(tài)

1.2 不同機(jī)內(nèi)溫度的測(cè)試

5）將樣品靜置冷卻，使其機(jī)內(nèi)溫度到達(dá)與“工作0分鐘溫度狀態(tài)”相近的狀態(tài)后，進(jìn)行交流電源端口的傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄為“冷機(jī)傳導(dǎo)數(shù)據(jù)”（如圖5 所示），并且使用熱成像儀測(cè)量此時(shí)樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“冷機(jī)溫度狀態(tài)”（如圖6 所示）；

圖5 樣品1#冷機(jī)傳導(dǎo)數(shù)據(jù)（靜置冷卻后）

圖6 樣品1#冷機(jī)溫度狀態(tài)（靜置冷卻后)

6）樣品斷電，使用熱風(fēng)槍對(duì)樣品進(jìn)行加熱，使其機(jī)內(nèi)溫度到達(dá)與“工作30 min 溫度狀態(tài)”相近的狀態(tài)后，然后上電工作，進(jìn)行交流電源端口的傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄為“熱機(jī)傳導(dǎo)數(shù)據(jù)”（如圖7 所示），并且使用熱成像儀測(cè)量此時(shí)樣品的溫度，溫度數(shù)據(jù)記錄為“熱機(jī)溫度狀態(tài)”（如圖8 所示）；

圖8 樣品1#熱機(jī)溫度狀態(tài)（熱風(fēng)槍加熱后）

7）對(duì)樣品1#～5#均進(jìn)行以上第1）到第6）步的操作，整理數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

記錄并整理樣品1#～5#每次測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)峰值的最大發(fā)射幅值，如表1～5 所示。

表1 樣品1#傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)—準(zhǔn)峰值

表2 樣品2#傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)—準(zhǔn)峰值

表3 樣品3#傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)—準(zhǔn)峰值

表4 樣品4#傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)—準(zhǔn)峰值

表5 樣品5#傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)—準(zhǔn)峰值

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析，可以得出以下試驗(yàn)結(jié)論：

1）通過(guò)數(shù)據(jù)表可以發(fā)現(xiàn)5 個(gè)樣品中，有4個(gè)樣品的傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果隨運(yùn)行時(shí)間、機(jī)內(nèi)溫度有明顯變化（相差2 dB 以上），且“工作0 min”與“冷機(jī)”、“工作30 min”與“熱機(jī)”的數(shù)據(jù)均比較接近（相差小于2 dB）。試驗(yàn)表明，電子產(chǎn)品EMI 測(cè)試存在溫度效應(yīng)，隨著產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間增加，機(jī)內(nèi)溫度升高，產(chǎn)品的EMC 性能發(fā)生變化，最終影響測(cè)試結(jié)果，甚至對(duì)標(biāo)準(zhǔn)符合性判定造成影響。

2）測(cè)量結(jié)果有明顯變化的4 個(gè)樣品中，有2個(gè)樣品測(cè)試結(jié)果隨著運(yùn)行時(shí)間增加、機(jī)內(nèi)溫度升高而傳導(dǎo)騷擾明顯減小；有2 個(gè)樣品測(cè)試結(jié)果隨著運(yùn)行時(shí)間增加、機(jī)內(nèi)溫度升高而傳導(dǎo)騷擾明顯增大。試驗(yàn)表明，不同產(chǎn)品的EMI 測(cè)量結(jié)果受運(yùn)行時(shí)間、機(jī)內(nèi)溫度影響的趨勢(shì)及程度各不相同。

3）測(cè)量結(jié)果有明顯變化的4 個(gè)樣品中，運(yùn)行時(shí)間前20 min 的測(cè)試結(jié)果變化較大，第（20～30）min 的測(cè)試結(jié)果變化較?。? dB 以內(nèi)），可能是因?yàn)楫a(chǎn)品機(jī)內(nèi)溫度隨運(yùn)行時(shí)間增加而越來(lái)越穩(wěn)定，因此產(chǎn)品EMC 性能也越來(lái)越平穩(wěn)，使得測(cè)試結(jié)果逐漸穩(wěn)定。

3 原理分析

試驗(yàn)證明機(jī)內(nèi)溫度對(duì)電子產(chǎn)品的EMC 特性存在一定影響，那么該影響是如何產(chǎn)生的呢？

3.1 電磁騷擾產(chǎn)生與抑制措施

電子設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾的根本原因在于電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化，由于實(shí)際電子元器件與理想元器件存在一定差異，電路的電壓/電流信號(hào)會(huì)發(fā)生設(shè)計(jì)預(yù)期外的變化，因此電磁騷擾普遍存在于各類電子設(shè)備中。抑制電磁騷擾的基本方法主要有：接地、屏蔽、濾波，其中濾波器主要由電阻、電容、電感、磁珠磁環(huán)等組成。

3.2 濾波元器件—電容器、電感器、磁芯

電容器與電感器的參數(shù)對(duì)濾波器的性能有決定性影響，以LC 差模濾波器[1]（如圖9）為例，該濾波器的插入損耗曲線如圖10 所示，其調(diào)諧頻率F0的計(jì)算公式為：

圖9 有差模濾波電路的開關(guān)電源傳導(dǎo)騷擾測(cè)試等效電路圖

圖10 實(shí)際電源中的LC 差模濾波電路的插入損耗

由插入損耗曲線及公式（1）可知濾波器中的電容器及電感器的規(guī)格參數(shù)直接決定了濾波器的插入損耗及諧振頻率。而有研究表明，電容器的容值與電感器的感量會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生變化[2,3]。類似的反應(yīng)也會(huì)發(fā)生在磁珠磁環(huán)等磁芯中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致鐵氧體的磁導(dǎo)率的變化[4]，影響其功率損耗。因此可以推斷，隨著產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，機(jī)內(nèi)溫度升高，濾波器的插入損耗和諧振頻率，以及磁體的磁導(dǎo)率發(fā)生了變化，進(jìn)而改變了產(chǎn)品的EMC 性能，最終導(dǎo)致EMI 測(cè)試結(jié)果的變化。

3.3 發(fā)熱元器件—集成電路（芯片）、變壓器等

一些元器件在運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生功率損耗并轉(zhuǎn)化為熱量，當(dāng)熱量的釋放量大于排放量，機(jī)內(nèi)熱量便會(huì)積累，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)溫度升高。這些發(fā)熱元器件不僅會(huì)使得濾波電路溫度升高從而影響濾波性能，還會(huì)使發(fā)熱元器件本身的EMC 性能發(fā)生改變。例如，集成電路（芯片）的溫度變化會(huì)對(duì)電子電路板的電磁發(fā)射或磁化率產(chǎn)生不可忽略的影響[5]。又例如，變壓器的溫度升高會(huì)導(dǎo)致變壓器實(shí)心繞組的電阻增大了振蕩的衰減，并減小振蕩的銳度，使得諧振回路的品質(zhì)因數(shù)下降，而且產(chǎn)生的有功損耗使得調(diào)諧頻率偏移[6]。

4 建議

為保證產(chǎn)品EMC 性能穩(wěn)定可控，建議廠家在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的溫度狀態(tài)，對(duì)芯片、變壓器等發(fā)熱元器件做好散熱處理，溫度敏感的電子元器件盡可能遠(yuǎn)離熱源布局，EMC 濾波電路盡量使用溫度特性良好的元器件，例如X7R電容等。

對(duì)于EMC 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，建議嚴(yán)格按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和方法標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于預(yù)運(yùn)行/預(yù)熱時(shí)間的要求，對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試前的預(yù)運(yùn)行，例如照明設(shè)備在EMC 測(cè)試前，應(yīng)按照GB/T 17743-2021 標(biāo)準(zhǔn)的7.8條款的要求預(yù)運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)[7]。如果沒有給定預(yù)運(yùn)行/預(yù)熱時(shí)間，在試驗(yàn)之前，受試設(shè)備應(yīng)運(yùn)行足夠的時(shí)間，以保證其工作方式和工作狀態(tài)為壽命期限內(nèi)的典型狀態(tài)[8]。并且應(yīng)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)觀察產(chǎn)品的騷擾電平是否穩(wěn)定，對(duì)于騷擾電平不穩(wěn)定的產(chǎn)品，應(yīng)依據(jù)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，延長(zhǎng)測(cè)量接收機(jī)的讀數(shù)觀察時(shí)間，進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間、機(jī)內(nèi)溫度對(duì)EMI 測(cè)試結(jié)果的影響，得出一些測(cè)試結(jié)果變化的規(guī)律，并從電路設(shè)計(jì)和元器件特性角度對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行原理分析，提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和電磁兼容測(cè)試相關(guān)建議，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。