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传导骚扰测试中的接地性能对测试结果的影响

技术专栏

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传导骚扰测试中的接地性能对测试结果的影响

  • 分类:技术专栏
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  • 发布时间:2022-04-05 12:42

  1 前言

  电源端口传导骚扰测试是EMC测试中的一项重要试验,量频率为150 kHz~30 MHz(部分标准是从9 kHz开始)。在实际的试验布置中,发现对于接地线材质、接地方式和接地位置的不同,接地效果对电源端口传导骚扰测试结果有着不可忽视的影响。

  2 骚扰的类型

  在测试和评定无线电骚扰时,依据骚扰频谱的分布情况、测量接收机带宽、骚扰持续时间、发生率以及骚扰影响程度,把骚扰分为窄带连续骚扰,宽带连续骚扰和宽带不连续骚扰。宽带和窄带主要是信号频率与测量接收机带宽相比较而区分的。在传导骚扰测试中,不管是测量电流还是电压,骚扰都分为:共模(也称为不对称型)、差模(也称为对称型)、非对称。

  3 传导骚扰测试原理

  传导骚扰测试在屏蔽室中进行,系统主要由人工电源网络和带有准峰值及平均值检波的干扰接收机组成,传导骚扰测试系统如图一所示。EUT可以分成台式设备和落地式设备,对于设计成既可放在台面上又可放在地面上工作的设备按台式布置进行试验,具体布置可参阅EMC测试标准以及相关产品测试规范。图一中,被试设备(EUT)为台式设备或落地式设备,台式设备放置于0.8米高的绝缘桌上(落地式设备放置于10cm高的绝缘垫上),人工电源网络(AMN,图一中型号为:ENV432)放置于接地平板上。被试设备由人工电源网络供电,且人工电源网络将测量到的噪声信号通过信号线传输到接收机上,接收机与计算机相连,通过测试软件进行后台操作。

  通过测试布置可以看出,人工电源网络须放置于接地平板上。所以无论是对于在实验室环境还是在EUT工作现场进行的传导骚扰测试,都需要将人工电源网络和接地平板进行良好接地。

图一 传导骚扰测试系统

  人工电源网络(AMN)是传导骚扰测试中必不可少的辅助设备,其主要应用于测量被试设备沿电源线向电网发射的骚扰电压。实验室所用的人工电源网络(50Ω/50μH+5Ω V型人工电源网络为例)原理如图二所示,接在电网与 EUT之间,其功能主要包括:

  (1)隔离和耦合作用,人工电源网络阻止EUT产生的射频电磁骚扰进入电网,同时隔离来自电网的干扰信号;通过耦合电容把射频骚扰信号接至测量接收机。

  (2)稳定阻抗作用,提供统一的阻抗(50Ω),便于在不同电网下的测试结果相互比较。图二中,在EUT的受试端子(通过耦合电容)与参考地之间提供一个稳定阻抗(图二中可知,在耦合电容下方接一个1kΩ的电阻,其与测量接收机的输入端并联,由于测量接收机的输入阻抗是50Ω,所以负载阻抗近似于50Ω)。

图二 人工电源网络原理图

  4 接地导线的阻抗

  通常会用铜线来作为接地线。选取材质均为铜,但长度和横截面不同的接地线进行试验,其规格见表一。

接地线编号

长度

横截面积/cm2

横截面积形状

1

5cm

7.2

矩形

2

5cm

0.8

圆形

3

20cm

0.8

圆形

4

100cm

0.8

圆形

表一 接地线规格

  表一中所列接地线在不同频率点的阻抗随频率变化的曲线,如图三所示。

图三 不同规格的接地线阻抗/频率变化图

  从图三中可以看出:

  (1)同频率点、同样材质、横截面积相同的导线,长度不同,其射频阻抗不同,长度越长阻抗越大。

  (2)矩形横截面导线的射频性能优于圆截面的导线,这也是高频情况下用扁平线来接地的原因。

  5 不同接地方式下对测试结果的影响

  在电源端口传导骚扰测试中发现,被试装置采用不同的接地方式时,测试结果具有一定的差异,有时这种差异甚至会影响到最终测试结果的判定。下面就两种不同的接地方式进行比对分析:一种是将EUT的地和人工电源网络(AMN)的地分别就近接到接地平板的两个不同位置,即分别接地;另一种是将EUT的地和人工电源网络(AMN)的地接到接地铜板的同一位置上,即集中接地。下面就接地阻抗进行分析。

  将人工电源网络AMN的原理图简化如图四所示,其中Us代表EUT发射的噪声源;Zs代表EUT的内部阻抗;Z代表AMN的测量阻抗。

图四 人工电源网络测量简化图

  在实际测试中,由于测量频率较高,线缆等均存在一定的阻抗,这里考虑到接地导线和接地平板的阻抗,采用第一种多点接地方式,即EUT的地和人工电源网络(AMN)的地分别就近接到接地平板的两个不同位置,将上述原理图进行模拟如图五所示。图五中,Z1为被试设备EUT的接地导线阻抗;Z2为AMN的接地导线阻抗;Z3为AMN的接地端至EUT接地端之间的接地平面阻抗。

图五 多点接地时人工电源网络噪声测量简化图

  令Zs’=Zs+Z1,Z’=Z+Z2,计算得到人工电源网络测得的电压为:

  UAMN1= Us*( Z’+Z3)/ ( Zs’+Z’+Z3)

  采用第二种单点接地方式,即EUT的地和AMN的地接到接地铜板的同一位置上,将上述原理图模拟如图六所示。图六中,Z1为被试设备EUT的接地导线阻抗;Z2为AMN的接地导线阻抗。

图六 单点接地时人工电源网络噪声测量简化图

  人工电源网络测得的电压为:

  UAMN2= Us* Z’/ ( Zs’+Z’)

  比较UAMN1和UAMN2的大小,则:

  UAMN1/ UAMN2 = ( Z’+Z3) ( Zs’+Z’)/ ( Zs’+Z’+Z3) Z’

  =(Z’2+Zs’Z3+ Zs’ Z’+ Z’ Z3)/ Zs’ Z’+ Z’2+ Z’ Z3

  =1+( Zs’Z3/ Zs’ Z’+ Z’2+ Z’ Z3)

  即:UAMN1/ UAMN2>1

  由上面的结果可知,即多点接地时,人工电源网络上测得的噪声电压大于单点接地时测得的噪声电压。

  6 接地点位置对测试结果的影响

  从上面可知,在电源端口传导骚扰测试中,EUT对人工电源网络(AMN)的接地方式可以选择单点接地或者多点接地。同时,EUT的接地方式对测试结果有重要影响,甚至会影响结果的判定。接下来分析EUT的不同接地位置对测试结果的影响。按照标准布置,如图七所示,以AMN和EUT的投影间距为总长,分别等距取5个点(A、B、C、D、E)。其中AB=BC=CD=DE=20cm,将A、B、C、D、E这5个点分别连接到EUT的接地点上,测试这5个位置的骚扰电压结果如表二所示。

图七 不同接地点位置的传导骚扰电压试验布置图

频率

(MHz)

准峰值(QP,dBuv)

位置A

位置B

位置C

位置D

位置E

0.15

52.2

52.5

52.5

52.9

52.9

0.5

64.3

64.6

64.6

64.9

65.1

1

47.1

47.0

47.2

47.2

47.3

5

55.8

55.7

55.9

56.0

56.1

10

46.5

46.5

46.7

46.8

46.8

30

52.6

52.4

52.8

52.9

53.5

表二 不同接地点位置的传导骚扰电压测试结果

  从表二的测试结果可知,接地点选在A点时,测得的骚扰电压较小,选在E点时,测得的骚扰电压较大。从A 点到E点,骚扰电压大致是增加的趋势。原因在于:EUT、接地线、参考接地平板、AMN和电源线形成了一个环路。根据电磁感应理论,闭合环路中的磁通发生变化时将产生感应电流,电流大小与环路面积成正比。EUT正常工作时会通过外壳和电缆产生辐射骚扰,这些骚扰会在上述环路中产生感应电流,从而增大骚扰电压。测试原理如图八所示。

图八 接地点位置对传导骚扰电压测试的影响原理图

  当接地点选在A点时,EUT、接地线、参考接地平板、AMN和电源线形成的环路面积最小,产生的感应电流最小,此时测得的骚扰电压最小。当接地点选在E点时,EUT、接地线、参考接地平板、AMN和电源线形成的环路面积最大,环路中产生的感应电流最大,因此测得的骚扰电压也较大。这说明接地点位置的选择对传导骚扰电压的测试结果具有重要影响。接地点距离AMN越近,接地线和电源线围成的环路面积越小,产生的骚扰感应电流越小,测得的骚扰电压就越小。

  7 结束语

  通过对电源端口传导骚扰测试的原理分析,在进行电源端传导骚扰测试时,应保证人工电源网络与接地参考面之间有良好的搭接,应使用尽量短的扁平铜带连接到接地参考平面上。同时应将被试设备的地与人工电源网络的地接在接地平面的同一点上,尽可能的减小接地阻抗带来的测量差异。在国际、国内的各类标准中,关于传导骚扰测试,仅对被试装置的试验布置及配置情况进行了描述,并未对被试设备的接地方法进行规定。实验室力求测试结果一致,可复现场地布置。被测系统运行操作要能代表典型的使用情况,这种情况(包括仪器的配置和接线方式)可能与现场使用有差异,实验室应该意识到这种差异,尽可能模拟产品现场配置,这样测试结果才能反映真实的使用情况,从而有效控制和降低实验室的测量风险。

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