傳導騷擾測試中的接地性能對測試結果的影響

1 前言

　　電源端口傳導騷擾測試是EMC測試中的一項重要試驗，量頻率為150 kHz~30 MHz(部分標準是從9 kHz開(kāi)始)。在實(shí)際的試驗布置中，發(fā)現對于接地線(xiàn)材質(zhì)、接地方式和接地位置的不同，接地效果對電源端口傳導騷擾測試結果有著(zhù)不可忽視的影響。

　　2 騷擾的類(lèi)型

　　在測試和評定無(wú)線(xiàn)電騷擾時(shí)，依據騷擾頻譜的分布情況、測量接收機帶寬、騷擾持續時(shí)間、發(fā)生率以及騷擾影響程度，把騷擾分為窄帶連續騷擾，寬帶連續騷擾和寬帶不連續騷擾。寬帶和窄帶主要是信號頻率與測量接收機帶寬相比較而區分的。在傳導騷擾測試中，不管是測量電流還是電壓，騷擾都分為：共模(也稱(chēng)為不對稱(chēng)型)、差模(也稱(chēng)為對稱(chēng)型)、非對稱(chēng)。

　　3 傳導騷擾測試原理

　　傳導騷擾測試在屏蔽室中進(jìn)行，系統主要由人工電源網(wǎng)絡(luò )和帶有準峰值及平均值檢波的干擾接收機組成，傳導騷擾測試系統如圖一所示。EUT可以分成臺式設備和落地式設備，對于設計成既可放在臺面上又可放在地面上工作的設備按臺式布置進(jìn)行試驗，具體布置可參閱EMC測試標準以及相關(guān)產(chǎn)品測試規范。圖一中，被試設備(EUT)為臺式設備或落地式設備，臺式設備放置于0.8米高的絕緣桌上(落地式設備放置于10cm高的絕緣墊上)，人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN，圖一中型號為：ENV432)放置于接地平板上。被試設備由人工電源網(wǎng)絡(luò )供電，且人工電源網(wǎng)絡(luò )將測量到的噪聲信號通過(guò)信號線(xiàn)傳輸到接收機上，接收機與計算機相連，通過(guò)測試軟件進(jìn)行后臺操作。

　　通過(guò)測試布置可以看出，人工電源網(wǎng)絡(luò )須放置于接地平板上。所以無(wú)論是對于在實(shí)驗室環(huán)境還是在EUT工作現場(chǎng)進(jìn)行的傳導騷擾測試，都需要將人工電源網(wǎng)絡(luò )和接地平板進(jìn)行良好接地。

 傳導騷擾測試系統

　　人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN)是傳導騷擾測試中的輔助設備，其主要應用于測量被試設備沿電源線(xiàn)向電網(wǎng)發(fā)射的騷擾電壓。實(shí)驗室所用的人工電源網(wǎng)絡(luò )(50Ω/50μH+5Ω V型人工電源網(wǎng)絡(luò )為例)原理如圖二所示，接在電網(wǎng)與 EUT之間，其功能主要包括：

　　(1)隔離和耦合作用，人工電源網(wǎng)絡(luò )阻止EUT產(chǎn)生的射頻電磁騷擾進(jìn)入電網(wǎng)，同時(shí)隔離來(lái)自電網(wǎng)的干擾信號;通過(guò)耦合電容把射頻騷擾信號接至測量接收機。

　　(2)穩定阻抗作用，提供統一的阻抗(50Ω)，便于在不同電網(wǎng)下的測試結果相互比較。圖二中，在EUT的受試端子(通過(guò)耦合電容)與參考地之間提供一個(gè)穩定阻抗(圖二中可知，在耦合電容下方接一個(gè)1kΩ的電阻，其與測量接收機的輸入端并聯(lián)，由于測量接收機的輸入阻抗是50Ω，所以負載阻抗近似于50Ω)。

　4 接地導線(xiàn)的阻抗

　　通常會(huì )用銅線(xiàn)來(lái)作為接地線(xiàn)。選取材質(zhì)均為銅，但長(cháng)度和橫截面不同的接地線(xiàn)進(jìn)行試驗，其規格見(jiàn)表一。

　　表一中所列接地線(xiàn)在不同頻率點(diǎn)的阻抗隨頻率變化的曲線(xiàn)，如圖三所示。

圖三 不同規格的接地線(xiàn)阻抗/頻率變化圖

　　從圖三中可以看出：

　　(1)同頻率點(diǎn)、同樣材質(zhì)、橫截面積相同的導線(xiàn)，長(cháng)度不同，其射頻阻抗不同，長(cháng)度越長(cháng)阻抗越大。

　　(2)矩形橫截面導線(xiàn)的射頻性能優(yōu)于圓截面的導線(xiàn)，這也是高頻情況下用扁平線(xiàn)來(lái)接地的原因。

　　5 不同接地方式下對測試結果的影響

　　在電源端口傳導騷擾測試中發(fā)現，被試裝置采用不同的接地方式時(shí)，測試結果具有一定的差異，有時(shí)這種差異甚至會(huì )影響到最終測試結果的判定。下面就兩種不同的接地方式進(jìn)行比對分析：一種是將EUT的地和人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN)的地分別就近接到接地平板的兩個(gè)不同位置，即分別接地;另一種是將EUT的地和人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN)的地接到接地銅板的同一位置上，即集中接地。下面就接地阻抗進(jìn)行分析。

　　將人工電源網(wǎng)絡(luò )AMN的原理圖簡(jiǎn)化如圖四所示，其中Us代表EUT發(fā)射的噪聲源;Zs代表EUT的內部阻抗;Z代表AMN的測量阻抗。

圖四 人工電源網(wǎng)絡(luò )測量簡(jiǎn)化圖

　　在實(shí)際測試中，由于測量頻率較高，線(xiàn)纜等均存在一定的阻抗，這里考慮到接地導線(xiàn)和接地平板的阻抗，采用第一種多點(diǎn)接地方式，即EUT的地和人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN)的地分別就近接到接地平板的兩個(gè)不同位置，將上述原理圖進(jìn)行模擬如圖五所示。圖五中，Z1為被試設備EUT的接地導線(xiàn)阻抗;Z2為AMN的接地導線(xiàn)阻抗;Z3為AMN的接地端至EUT接地端之間的接地平面阻抗。

圖五 多點(diǎn)接地時(shí)人工電源網(wǎng)絡(luò )噪聲測量簡(jiǎn)化圖

　　令Zs’=Zs+Z1，Z’=Z+Z2，計算得到人工電源網(wǎng)絡(luò )測得的電壓為：

　　UAMN1= Us*( Z’+Z3)/ ( Zs’+Z’+Z3)

　　采用第二種單點(diǎn)接地方式，即EUT的地和AMN的地接到接地銅板的同一位置上，將上述原理圖模擬如圖六所示。圖六中，Z1為被試設備EUT的接地導線(xiàn)阻抗;Z2為AMN的接地導線(xiàn)阻抗。

圖六 單點(diǎn)接地時(shí)人工電源網(wǎng)絡(luò )噪聲測量簡(jiǎn)化圖

　　人工電源網(wǎng)絡(luò )測得的電壓為：

　　UAMN2= Us* Z’/ ( Zs’+Z’)

　　比較UAMN1和UAMN2的大小，則：

　　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

　　由上面的結果可知，即多點(diǎn)接地時(shí)，人工電源網(wǎng)絡(luò )上測得的噪聲電壓大于單點(diǎn)接地時(shí)測得的噪聲電壓。

　　6 接地點(diǎn)位置對測試結果的影響

　　從上面可知，在電源端口傳導騷擾測試中，EUT對人工電源網(wǎng)絡(luò )(AMN)的接地方式可以選擇單點(diǎn)接地或者多點(diǎn)接地。同時(shí)，EUT的接地方式對測試結果有重要影響，甚至會(huì )影響結果的判定。接下來(lái)分析EUT的不同接地位置對測試結果的影響。按照標準布置，如圖七所示，以AMN和EUT的投影間距為總長(cháng)，分別等距取5個(gè)點(diǎn)(A、B、C、D、E)。其中AB=BC=CD=DE=20cm，將A、B、C、D、E這5個(gè)點(diǎn)分別連接到EUT的接地點(diǎn)上，測試這5個(gè)位置的騷擾電壓結果如表二所示。

圖七 不同接地點(diǎn)位置的傳導騷擾電壓試驗布置圖

表二 不同接地點(diǎn)位置的傳導騷擾電壓測試結果

　　從表二的測試結果可知，接地點(diǎn)選在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，測得的騷擾電壓較小，選在E點(diǎn)時(shí)，測得的騷擾電壓較大。從A 點(diǎn)到E點(diǎn)，騷擾電壓大致是增加的趨勢。原因在于：EUT、接地線(xiàn)、參考接地平板、AMN和電源線(xiàn)形成了一個(gè)環(huán)路。根據電磁感應理論，閉合環(huán)路中的磁通發(fā)生變化時(shí)將產(chǎn)生感應電流，電流大小與環(huán)路面積成正比。EUT正常工作時(shí)會(huì )通過(guò)外殼和電纜產(chǎn)生輻射騷擾，這些騷擾會(huì )在上述環(huán)路中產(chǎn)生感應電流，從而增大騷擾電壓。測試原理如圖八所示。

圖八 接地點(diǎn)位置對傳導騷擾電壓測試的影響原理圖

　　當接地點(diǎn)選在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，EUT、接地線(xiàn)、參考接地平板、AMN和電源線(xiàn)形成的環(huán)路面積最小，產(chǎn)生的感應電流最小，此時(shí)測得的騷擾電壓最小。當接地點(diǎn)選在E點(diǎn)時(shí)，EUT、接地線(xiàn)、參考接地平板、AMN和電源線(xiàn)形成的環(huán)路面積最大，環(huán)路中產(chǎn)生的感應電流最大，因此測得的騷擾電壓也較大。這說(shuō)明接地點(diǎn)位置的選擇對傳導騷擾電壓的測試結果具有重要影響。接地點(diǎn)距離AMN越近，接地線(xiàn)和電源線(xiàn)圍成的環(huán)路面積越小，產(chǎn)生的騷擾感應電流越小，測得的騷擾電壓就越小。

　　7 結束語(yǔ)

　　通過(guò)對電源端口傳導騷擾測試的原理分析，在進(jìn)行電源端傳導騷擾測試時(shí)，應保證人工電源網(wǎng)絡(luò )與接地參考面之間有良好的搭接，應使用盡量短的扁平銅帶連接到接地參考平面上。同時(shí)應將被試設備的地與人工電源網(wǎng)絡(luò )的地接在接地平面的同一點(diǎn)上，盡可能的減小接地阻抗帶來(lái)的測量差異。在國際、國內的各類(lèi)標準中，關(guān)于傳導騷擾測試，僅對被試裝置的試驗布置及配置情況進(jìn)行了描述，并未對被試設備的接地方法進(jìn)行規定。實(shí)驗室力求測試結果一致，可復現場(chǎng)地布置。被測系統運行操作要能代表典型的使用情況，這種情況(包括儀器的配置和接線(xiàn)方式)可能與現場(chǎng)使用有差異，實(shí)驗室應該意識到這種差異，盡可能模擬產(chǎn)品現場(chǎng)配置，這樣測試結果才能反映真實(shí)的使用情況，從而有效控制和降低實(shí)驗室的測量風(fēng)險。