吳禎瑋 馬 欣 / .上海市計量測試技術(shù)研究院； .上海市電磁兼容檢測重點實驗室

0 引言

共模干擾，是指單個或多個電源線或者信號線，與參考地之間的干擾電壓，干擾的電壓幅值相等、相位相同，共模電流在線路與參考地之間流動。頻率比較低，以傳導(dǎo)方式傳播的共模干擾，稱之為低頻共模傳導(dǎo)干擾。

低頻共模傳導(dǎo)干擾常見的來源有：設(shè)備的電源有漏電故障；使用直流電源時導(dǎo)致正負(fù)極同時接地的錯誤安裝（尤其多見于如通信基站等使用直流負(fù)電壓供電的場合）；電氣化鐵路在其工作頻率上對電網(wǎng)產(chǎn)生的共模電壓干擾；以及上述干擾的諧波等。目前，基于國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-16的低頻共模傳導(dǎo)抗擾度試驗方法,已在核電、船舶、軌道交通和通信設(shè)備的電磁兼容檢測中得到了廣泛采用。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對低頻共模傳導(dǎo)抗擾度試驗設(shè)備輸出波形參數(shù)進行驗證，是相關(guān)試驗開展的先決條件。本文將重點分析研究低頻共模傳導(dǎo)抗擾度試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及其驗證方法。

1 IEC 61000-4-16 標(biāo)準(zhǔn)概述

IEC 61000-4-16:1998 對電子、電氣設(shè)備在DC～150 kHz頻率范圍內(nèi)的共模傳導(dǎo)抗擾度試驗方法進行了詳細(xì)定義，該方法適用于電子電氣設(shè)備的電源端口、控制/信號端口和通信端口。干擾方式分為直流連續(xù)干擾、交流連續(xù)干擾、直流短時干擾、交流短時干擾以及掃頻測試等。

圖1為典型低頻共模傳導(dǎo)抗擾度試驗的示意圖。進行試驗時，首先應(yīng)確定受試樣品的基本性能，包括其典型的運行狀態(tài)、試驗端口、輔助設(shè)備、輸入信號等。然后將合適的耦合網(wǎng)絡(luò)和去耦合網(wǎng)絡(luò)正確連接至受試樣品。

如果端口與非屏蔽的信號輸入/輸出線纜、交/直流電源線纜相連，對注入點的共模源阻抗定義為150 Ω，而試驗發(fā)生器內(nèi)阻為50 Ω，因此使用的耦合網(wǎng)絡(luò)阻抗應(yīng)為100 Ω，并且根據(jù)施加電壓是交/直流電壓，確定耦合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與電容并聯(lián)的開關(guān)3的斷開/閉合。

圖1 典型測試電路示意圖

如果端口與平衡線相連，試驗電壓應(yīng)當(dāng)使用T型網(wǎng)絡(luò)注入。對于屏蔽電纜，發(fā)生器的輸出直接與屏蔽層連接，不需要額外的電阻和電容。如果試驗端口有兩個或兩個以上的負(fù)載，試驗電壓應(yīng)當(dāng)同時施加在所有負(fù)載的端口和地之間。試驗時將開關(guān)1依次選至所測的端口，使試驗發(fā)生器與對應(yīng)端口相連，并將當(dāng)前不進行測試的其他端口的耦合網(wǎng)絡(luò)開關(guān)2閉合，使之與地相連。

因為施加試驗電壓會產(chǎn)生漏電流，應(yīng)當(dāng)采取有效的安全措施保護實驗人員避免不安全狀況的發(fā)生。測試應(yīng)按照計劃要求進行，在測試中及測試后驗證受試樣品性能狀態(tài)，最終確定受試樣品的低頻傳導(dǎo)抗擾度能力等級。

2 關(guān)鍵參數(shù)

IEC 61000-4-16中，對干擾發(fā)生器的特性作了詳細(xì)的規(guī)定。

1）用于DC試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是具有可變輸出電壓的DC電源，應(yīng)有時間控制開關(guān)以進行短時駐留試驗。具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 用于直流連續(xù)干擾試驗發(fā)生器的參數(shù)

表2 用于直流短時干擾試驗發(fā)生器的參數(shù)

2）用于16.67 Hz、50 Hz和60 Hz交流電源特征頻率試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是一個可變的隔離變壓器（與配電網(wǎng)絡(luò)相連），并應(yīng)具有時間控制開關(guān)以進行短時駐留試驗。開關(guān)應(yīng)能與電源電壓波形的0°進行同步。具體參數(shù)如表3和表4所示。

表3 用于交流連續(xù)干擾試驗的發(fā)生器的參數(shù)

3）用于15 Hz～150 kHz頻率范圍內(nèi)的掃頻試驗的發(fā)生器的性能要求

典型的試驗發(fā)生器是一個覆蓋所涉及頻段的波形發(fā)生器，它具有1×10-2十倍頻/s或更慢的自動掃描能力，并具有10%步進的頻率編程和手動設(shè)置。具體參數(shù)如表5所示。

表4 用于交流短時干擾試驗發(fā)生器的參數(shù)

表5 用于掃頻試驗發(fā)生器的參數(shù)

3 驗證的方法

3.1 波形驗證的基本方法

為了使不同試驗發(fā)生器的結(jié)果具有可比性，以下幾個最重要的參數(shù)必須進行驗證。

輸出電壓波形、發(fā)生器阻抗、頻率準(zhǔn)確度、開路輸出電壓準(zhǔn)確度、輸出電壓開關(guān)時的上升和下降時間。為了驗證設(shè)備的內(nèi)阻以及帶載能力，還需要對其短路電流進行測量。

在驗證這些參數(shù)的過程中，需要使用電壓探頭、電流探頭，以及帶寬在1 MHz以上的示波器或等效的測量設(shè)備，并且這些測量設(shè)備的準(zhǔn)確度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于5%。

圖2、圖3分別為試驗發(fā)生器輸出端的開路電壓和短路電流測量系統(tǒng)示意圖。應(yīng)根據(jù)頻率范圍和量程選擇適用的電壓探頭和電流探頭，例如，電壓探頭耐壓大于有效值300 V（有效值），電流探頭最大測量值6 A（有效值）。

圖2 試驗發(fā)生器輸出端開路電壓測量系統(tǒng)

圖3 試驗發(fā)生器輸出端短路電流測量系統(tǒng)

3.1.1 開路電壓波形驗證

①將干擾發(fā)生器輸出端的“高端”連接到高壓探頭，發(fā)生器輸出端的“低端”連接到高壓探頭的地線。

②電壓探頭直接連接到示波器的信號輸入端。調(diào)節(jié)示波器的垂直靈敏度（例如，10 V/格）、時間基準(zhǔn)（例如，10 ms/格）和觸發(fā)模式（連續(xù)干擾設(shè)為自動觸發(fā)；短時干擾設(shè)為單次觸發(fā)），使波形能完整地出現(xiàn)在示波器屏幕中部。

③記錄波前時間和半峰值時間。并且與標(biāo)準(zhǔn)要求進行比較，如不符合應(yīng)立即停止試驗并查找原因。

3.1.2 短路電流波形驗證

①將干擾發(fā)生器輸出端的“高端”通過導(dǎo)線短路到發(fā)生器輸出端的“低端”。將導(dǎo)線穿過電流探頭，注意電流探頭的方向。

②電流探頭直接連接到示波器的信號輸入端。調(diào)節(jié)示波器的垂直靈敏度（例如，0.5 A/格）、時間基準(zhǔn)（例如，10 ms/格）和觸發(fā)模式（連續(xù)干擾設(shè)為自動觸發(fā)；短時干擾設(shè)為單次觸發(fā)），使波形能完整地出現(xiàn)在示波器屏幕中部。

③記錄電流幅度、頻率和切換時間等參數(shù)，并且與標(biāo)準(zhǔn)要求進行比較，如不符合應(yīng)立即停止試驗并查找原因。

需要注意，當(dāng)所使用的電壓探頭不是差分探頭時，必須在測量前確認(rèn)探頭負(fù)極所接端口相對于示波器的參考地沒有電壓，避免短路造成探頭損壞。

3.2 發(fā)生器內(nèi)阻的驗證

根據(jù)圖1，發(fā)生器的內(nèi)阻只有在信號源有輸出時才處于接通狀態(tài)，因此其阻抗無法使用電阻表或網(wǎng)絡(luò)分析儀直接進行測量。如果僅由出廠報告中得到相關(guān)數(shù)據(jù)，將給測試的準(zhǔn)確性帶來隱患。

為了對發(fā)生器的阻抗進行驗證,可根據(jù)戴維南定理：“任一含源線性時不變一端口網(wǎng)絡(luò)對外可用一條電壓源與一阻抗的串聯(lián)支路來等效地加以置換，此電壓源的電壓等于一端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，此阻抗等于一端口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部獨立電源置零后的輸入阻抗?！卑寻l(fā)生器簡化為一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，將可測量的網(wǎng)絡(luò)開路電壓E除以可測量的網(wǎng)絡(luò)短路電流I，便可以依據(jù)公式計算發(fā)生器的內(nèi)阻

圖3所示方法為試驗發(fā)生器輸出端短路電流的測量方法，即將發(fā)生器輸出的兩個端口直接短路。用于短路連接的導(dǎo)線應(yīng)盡可能的短，并且應(yīng)使用單芯導(dǎo)線，這樣選擇也是為了減少電路中的感抗的引入，減少測量誤差。

在測量開路電壓與短路電流計算發(fā)生器內(nèi)阻時，不可以只以直流輸出時的值，或者某一點頻率時的值作為結(jié)果，這樣無法確保在整個頻率范圍發(fā)生器的內(nèi)阻都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。通常應(yīng)該選擇足夠的頻率點，這些點至少應(yīng)包括DC，16.67 Hz、50 Hz、60 Hz和150 kHz以及60 Hz與150 kHz之間的若干個頻率點。

正確的順序可以是：首先在直流時測出內(nèi)阻的電阻R，判斷R是否滿足50 Ω（±10%）的要求，例如圖4、圖5為某試驗發(fā)生器輸出直流10 V時測量輸出端開路電壓和短路電流的結(jié)果，由此可計算得到R=50.2 Ω，說明該發(fā)生器在直流輸出時電阻值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如果不滿足，那么試驗發(fā)生器內(nèi)阻需要更換維修。如果滿足，再逐個測量頻率點并計算發(fā)生器內(nèi)阻，例如圖6、圖7為某試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz、有效值為10 V時測量輸出端開路電壓和短路電流的結(jié)果，通過計算求得試驗發(fā)生器內(nèi)阻Z=52.1 Ω。

如果隨著頻率的升高，試驗發(fā)生器的開路電壓變小，那么有可能是試驗發(fā)生器電壓源至輸出端口之間存在的對地分布電容過大。如果隨著頻率的升高，發(fā)生器的開路電壓不變而短路電流逐漸減小，如圖8所示的情況，計算得到的發(fā)生器內(nèi)阻Z=59.2 Ω，無法滿足50 Ω（±10%）的要求，比標(biāo)準(zhǔn)值偏大，根據(jù)阻抗公式：

不考慮內(nèi)阻上的電容，可以推斷，試驗發(fā)生器的內(nèi)阻電感過大，需要根據(jù)具體故障情況進行維修。否則的話使用這樣一臺試驗發(fā)生器進行試驗，雖然從輸出的電壓看不出異常，但是它在受試樣品的線路上產(chǎn)生的干擾電流會小于正常的值，在受試樣品的線間及內(nèi)部產(chǎn)生的干擾電平也會偏小，這樣的試驗結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的。

圖4 試驗發(fā)生器直流輸出時的開路電壓

圖5 試驗發(fā)生器直流輸出時的短路電流

圖6 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的開路電壓

圖7 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的短路電流

3.3 短時直流干擾波形驗證

在IEC61000-4-16超低頻抗擾度試驗中，短時直流干擾波形的發(fā)生是一個技術(shù)難點，通常采用整流變壓器或大功率DC電源，并配合精準(zhǔn)的時序控制加以實現(xiàn)。

對于短時直流電壓波形，需要對波形的上升下降沿進行測量，標(biāo)準(zhǔn)要求波形的上升下降沿應(yīng)在1～5 μs的范圍之內(nèi)。在實際的波形驗證測量中，由于示波器電壓探頭存在一定的電容量（典型值10 pF）,而當(dāng)示波器設(shè)置為1 MΩ的高阻狀態(tài)時，探頭的RC時間常數(shù)為10 μs。在這種情況下，上升下降沿的測量數(shù)據(jù)將發(fā)生滯后，無法落在1～5 μs的范圍之內(nèi)。

圖8 試驗發(fā)生器輸出頻率為150 kHz時的異常短路電流

為了解決這一問題，并使波形的測量更接近于實際的帶載試驗狀態(tài)，可以在測量端口并聯(lián)1個模擬真實受試設(shè)備的1 kΩ特征電阻（如圖9所示）。在這種狀態(tài)下，探頭的RC時間將變?yōu)?0 ns，能夠測量出上升下降沿在1～5 μs范圍內(nèi)的波形。通過驗證測量得到的電壓波形如圖10所示。

圖9 短時直流干擾電壓上升下降沿驗證設(shè)置

圖10 短時直流干擾電壓波形

另外，如果用于干擾波形發(fā)生的DC電源容量不足或整流電路噪聲過大，輸出的短路電流將發(fā)生失真。具體表現(xiàn)為測得短路電流波形存在較大的紋波分量（如圖11所示）。根據(jù)3.2章節(jié)中的原理，若紋波分量超過短路電流理論值的10%，試驗系統(tǒng)將不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

短時直流干擾的短路電流波形應(yīng)該在系統(tǒng)的最大輸出電壓值（例如300 V）下進行驗證，以確保系統(tǒng)在極限狀態(tài)下能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求。正常的短路電流波形，應(yīng)如圖12所示，即當(dāng)輸出電壓為300 V時，測得的短路電流為5.89 A。經(jīng)過計算，等效源阻抗為52.8 Ω，在50 Ω+5 Ω標(biāo)準(zhǔn)要求區(qū)間之內(nèi)，試驗系統(tǒng)滿足要求。

4 結(jié)語

圖11 具有紋波分量的短路電流波形

圖12 正常的短路電流波形

隨著我國核電站、船舶工程、電氣化鐵路和通信基站等高速發(fā)展，低頻共模傳導(dǎo)抗擾度也越來越受到重視。目前，國內(nèi)的許多EMC實驗室都開始根據(jù)IEC 61000-4-16標(biāo)準(zhǔn)建立試驗?zāi)芰?。而不同實驗室的試驗?shù)據(jù)應(yīng)具有可比性，同一實驗室的數(shù)據(jù)也應(yīng)具有可重復(fù)性。

實驗室在開展低頻共模傳導(dǎo)抗擾度相關(guān)試驗?zāi)芰︱炞C工作時，應(yīng)重點關(guān)注以下幾點：

①驗證應(yīng)在設(shè)備交流/直流，連續(xù)/短時等多種干擾輸出方式下分別進行，確保設(shè)備所有的功能模塊符合要求。

②驗證至少應(yīng)在設(shè)備的電壓、電流和頻率輸出的極限點上進行，確保設(shè)備整體參數(shù)符合要求。

③對于設(shè)備的內(nèi)阻以及切換時間等關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)重點關(guān)注并測量，確保系統(tǒng)在這些技術(shù)難點滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文介紹的低頻共模傳導(dǎo)干擾試驗波形驗證方法，可作為實驗室進行設(shè)備期間核查及定期校驗的技術(shù)參考，對試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高有著積極的意義。

[1]中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.GB/T 17626.16-2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.