电子电气设备传导发射检测技术研究
传导发射(Conducted Emission)是指电子电气设备通过电源线、信号线或其他导体向外传输的电磁骚扰能量。这类骚扰会沿导线传播,干扰同一电网或连接网络中的其他设备正常工作,是电磁兼容性(EMC)测试的核心项目之一。对电子电气、信息技术、家用电器、汽车电子及轨道交通设备进行传导发射检测,是确保设备电磁环境兼容性和可靠性的关键环节。
传导发射检测主要针对设备的交流或直流电源端口、通信端口及信号端口。其核心是测量被测设备(EUT)在导线中产生的骚扰电压或骚扰电流。
1. 骚扰电压测量
原理:该方法用于测量EUT在电源线(相线、中线)和地线上产生的共模和差模骚扰电压。共模骚扰指相线和中线对地线存在的同相位、同幅值的噪声,通常由寄生电容耦合引起;差模骚扰指相线与中线之间存在的反相位噪声,主要由电路开关动作等产生。
方法:
使用线路阻抗稳定网络(LISN)串联在电源与EUT之间。LISN的核心作用有三个:一是为EUT提供纯净的电源;二是隔离电网侧已有的噪声,防止其干扰测量;三是提供一个标准的测量阻抗(通常为50Ω),将导线上的骚扰电流转换为可供测量的电压信号。
测量接收机通过同轴电缆连接至LISN的测量端口,扫描并记录特定频率范围内的骚扰电压电平。
测量布置:包括相线-地、中线-地分别进行测量。
2. 骚扰功率测量
原理:对于频率较高(通常超过30MHz)的骚扰,其波长较短,在导线上传播时会产生辐射,此时直接测量电压意义不大。骚扰功率测量通过评估导线上的骚扰能量来间接评估其辐射潜力。
方法:
使用电流探头和吸收钳。电流探头卡在连接EUT的导线上,测量其表面的骚扰电流。
吸收钳则套在导线上,其内部包含铁氧体环,能吸收导线上的射频能量,防止反射,从而模拟一根无限长导线上的行波状态。通过沿导线移动吸收钳并找到最大骚扰点,由测量接收机读取该点的骚扰功率值。
3. 断续骚扰测量
原理:针对家用电器中由恒温控制器、继电器等开关动作产生的断续噪声(喀呖声)。这类骚扰不是连续的,其评价方法与连续骚扰不同。
方法:在连续骚扰测量基础上,通过观察骚扰持续时间和间隔时间,计算“喀呖声”率,并依据标准对限值进行修正。
不同应用领域的电子电气设备,其传导发射的检测范围(频率、端口、限值)存在显著差异。
信息技术设备(ITE):涵盖计算机、服务器、打印机、网络交换机等。检测频率范围通常为150kHz - 30MHz,重点关注电源端口和电信端口。此类设备数据处理速度快,开关电源噪声是主要骚扰源。
家用电器:包括洗衣机、冰箱、空调、微波炉等。检测频率范围同样多为150kHz - 30MHz。其骚扰源主要来自电机、压缩机、晶闸管调压电路等。对断续骚扰的测量是该领域的特色。
汽车电子零部件:在汽车行业,传导发射测试更为严苛,频率范围可能从150kHz延伸至108MHz甚至更高。测试包括电源线传导发射和沿线束的传导瞬态发射。测试需在模拟车辆运行的多种工况(如不同负载、转速)下进行,以确保在复杂的汽车电气环境中不产生干扰。
轨道交通设备:涵盖机车、动车组、地铁车辆的车载电子设备。其工作环境极端,电网电压高,瞬态干扰强烈。传导发射测试频率范围宽,限值要求严格,除了常规的交流电源端口,还需对直流电源端口、控制与通信端口进行测试,以确保列车控制、信号、通信系统的绝对可靠。
工业、科学和医疗(ISM)设备:如射频加热器、医疗成像设备等。这类设备本身可能是强大的骚扰源,其传导发射限值通常比其他设备宽松,但检测频率范围可能更宽。
传导发射测试严格遵循国际、国家及行业标准。
国际标准:
CISPR系列:国际无线电干扰特别委员会的出版物是基础性标准。
CISPR 32:适用于多媒体设备,整合了传统ITE和广播接收机的EMC要求。
CISPR 14-1:适用于家用电器和类似用途电器。
CISPR 25:适用于汽车电子零部件的无线电骚扰特性保护的测量方法。
IEC 61000-6系列:通用标准,适用于居住、商业和工业环境。
ISO 7637系列:道路车辆-由传导和耦合引起的电骚扰的标准,重点关注瞬态传导骚扰。
国家标准:
中国国家标准(GB)大量等同采用(IDT)或修改采用(MOD)国际标准。
GB/T 9254:信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法(等同CISPR 32)。
GB 4343.1:家用和类似用途电器电磁兼容要求 第1部分:发射(等同CISPR 14-1)。
GB/T 18655:车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法(等同CISPR 25)。
行业标准:
EN 50121系列:轨道交通电磁兼容性标准,其中EN 50121-3-2专门针对车载设备。
各汽车制造商标准:如许多主流车企会制定比国际标准更严格的企业内部EMC标准。
一套完整的传导发射测试系统主要由以下设备构成:
线路阻抗稳定网络(LISN):
功能:提供标准阻抗、隔离电网噪声、耦合骚扰信号。是骚扰电压测量的核心设备。根据测试电流和电压等级(如16A/250V, 25A/380V)有不同的型号。
EMI测量接收机:
功能:用于精确测量射频骚扰电压或功率。它与普通频谱分析仪的主要区别在于其检波器(峰值QP、平均值AV、准峰值QP检波器)和带宽(如9kHz、120kHz)严格符合CISPR标准,能准确评估骚扰对实际通信业务的影响。
电流探头与吸收钳:
功能:电流探头用于非接触式测量导线上的骚扰电流。吸收钳主要用于30MHz以上的骚扰功率测量。
测试软件:
功能:控制测量接收机、LISN切换器等设备,自动执行频率扫描、数据记录、限值比对和生成测试报告,大大提高测试效率和准确性。
辅助设备:
电波暗室或屏蔽室:提供纯净的电磁环境,排除外界干扰。
接地参考平面:为测试系统提供稳定的参考地电位。
隔离变压器:为测试系统供电,并确保安全。
结论
传导发射检测是评估电子电气设备电磁兼容性的基石。随着设备数字化、高频化、集成化程度不断提高,以及物联网、新能源汽车、智能轨道交通的快速发展,传导噪声的机理愈发复杂,测试频率范围不断拓宽,限值要求日益严格。深入理解不同应用领域的检测要求,精确掌握标准化的测试方法,并配置高精度的测量系统,是确保电子电气产品在全球市场合规、可靠运行的必要保障。
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