开关电源和不间断电源的无线电骚扰特性测试

     开关电源和不间断电源的应用十分广泛，作为商品化的开关电源和不间断电源是国内首批被指定为需要进行电磁兼容认证的产品之一，其考核重点是它们在工作时对外的骚扰发射（包括传导和辐射两方面）；以及对电网供电质量所产生的影响。后者在本刊2000年第9期上已有详细论述，本文重点说明骚扰发射的测试问题。
　　开关电源和不间断电源的骚扰测试采用GB4824?1996《工业、科学和医疗（ISM）射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值》（参照CISPR11—1990而等效转化）所提供的方法。
　　根据GB4824标准对骚扰源的分类，划分为两组设备：1组设备是指为发挥其自身功能需要而包含专门产生和/或使用传导耦合射频能量的所有工、科、医设备；2组设备是指为材料处理、电火花腐蚀等功能需要而包含专门产生和/或使用电磁辐射能量的所有工、科、医设备。从上述定义看，开关电源和不间断电源当属于1组设备无疑。
　　另外，GB4824根据设备所使用供电网络的不同，又划分成两类：A类设备是非家用、不直接连到住宅低压电网的所有设施的工、科、医设备；B类设备是在家用设施内和直接连到住宅低压电网的设施的工、科、医设备。从上述分类看，开关电源和不间断电源均有可能分属于这两大类设备。
　　表1是试验场内1组A类和B类设备的电源端传导骚扰电压限值。表2则是试验场内1组A类和B类设备的辐射骚扰限值。

1  标准的测试方法
　　1.1  测量仪器和测试场地
　　（1）测量仪器
　　采用带有准峰值和平均值检波器的干扰接收机，其性能应符合CISPR16?1或对应国标GB/T6113·1《无线电骚扰和抗扰度测量设备规范》的要求。在标准涉及的频率范围内一般要用两台不同频段的干扰接收机，分别是9KHz～30MHz；30MHz～1000MHz。
　　（2）人工电源网络
　　在做电源端传导骚扰电压测试时，应采用阻抗为50Ω/50μH的人工电源网络（V形网络），其特性应符合CISPR16?1和GB/T6113·1的要求。人工电源网络的主要作用是使试品与电源之间有效间隔；同时又为试品提供稳定的高频阻抗。
　　（3）天线
　　在9KHz～30MHz频段内采用具有屏蔽的环形天线。
　　在30MHz～1000MHz频段内采用平衡偶极子天线。
　　（4）测试场地
　　①9kHz～1000MHz频段的辐射测试场地
　　辐射测试场地应该是一个空旷、平坦的场地，在其边界范围内无架空线，附近无反射结构物（如钢筋水泥建筑和高大树木等），而且具有足够大的尺寸，使天线、试品和反射结构物之间能充分分开的场地。
　　满足标准的辐射测试场地应该是一个由长轴等于两倍焦距（F）、短轴等于倍焦距（F）的椭圆所包围的场地，见图1所示。试验时，试品和测量天线将分别处在两个焦点上。

　　为了获得稳定的电波传输特性，必须有一个固定的、相当大的反射地面（或称接地平板）。反射面用金属材料制成，如钢板（包括镀锌钢板）和金属丝网等。板与板之间要用电焊连接，无大的漏缝或孔洞。金属网孔径的最大尺寸必须小于波长的1/10（对1000MHz，孔径应小于3cm）。另外，场地表面必须平整，同时要考虑排水设施。图2是金属接地的最小尺寸。
　　②传导骚扰电压测试场地
　　传导骚扰电压的测试可以在辐射试验场地内进行，也可以在屏蔽室内进行。
　　1.2  测试方法

　　（1）环境电平
　　试品接入测量线路，但在未通电运行时，要用测量环境噪声电平的方法来决定试验环境的适用性，环境电平应至少比规定的限值低6dB。
　　如果环境电平和试品的辐射叠加后，仍不超过规定限值时，试品即被认为已满足规定限值。
　　在测量电源端传导骚扰电压时，可在人工电源网络和供电电网之间接入一个适当的射频滤波器，以降低环境电平。但接入射频滤波器后，在测量频率上，人工电源网络的阻抗仍应满足规定要求。
　　在测量辐射骚扰时，如果环境电平无法满足要求，则可将测量天线向试品移近后再进行测量，但限值不变。这实际上是对试品的要求更加严格了。
　　（2）对试品布置的一般要求
　　试品的骚扰电平是指试品在各种典型使用情况下，所取不同配置和试验布置时骚扰值的最大值。在试验报告中应详细说明试验时试品的配置和试验布置。
　　当试品是由几个互连设备组成时，互连电缆的型号和长度应与试品技术要求中规定的相一致。如果电缆长度是可以改变的，则取在辐射试验中能产生最大辐射的长度。
　　（3）9kHz～1MHz的辐射测试
　　当试品放在试验转台上时，应使设备的辐射中心尽可能地接近转台的转动中心。试品和测量天线的距离是指转台转动轴线和测量天线之间的水平距离。
　　关于试验的转台，如果是高出接地平板的转台，一般不应高出该平面0.5m；如果是与接地平板处在同一平面的转台，则转台平面一定是金属平面，且和接地平板有良好的电气连接。不管哪一种转台，非落地式试品放在转台上，离接地平板的高度应为0.8m。
　　当试品不放在转台上时，试品和测量天线之间的距离是指试品边界和测量天线之间的最近水平距离。
　　对于试品放在转台上的情况，测量天线处在水平和垂直两种极化状态，转台都应在所有角度上旋转，应在每个测量频率上记录其辐射骚扰的最高电平。
　　当试品不放在转台上时，测量天线在水平和垂直两种极化状态下都应在地平面的各方位上选取不同测量位置。测量应在其最大辐射方向上进行，并在每个测量频率上记录其辐射骚扰的最高电平。
　　测量中对天线的要求是：在30MHz～80MHz频段内，天线长度应等于80MHz的谐振长度；在80MHz～1000MHz频段内，天线长度应等于测量频率的谐振长度。另外，应该用一个适当的变换装置使天线与馈线相匹配。还要配置一个平衡/不平衡变换器，实现与测量接收机的连接。
　　天线应能任意取向，分别测量其垂直极化和水平极化波分量。天线中心高度应能在1m～4m内调节。天线离地的最近点不应小于0.2m，以测出其最大值。
　　顺便指出，如果使用其他形式天线的测量结果与平衡偶极子天线的测量结果差值在±2dB以内，则也可用其他形式天线。实用中常用的宽带天线是双锥天线（30MHz～300MHz）和对数周期天线（300MHz～1000MHz）。

　　（4）电源端传导骚扰电压的测量
　　①在辐射试验场上测量时，试品应处于和辐射测量相同的状态下，且试品应处在比其边界至少扩展0.5m或最小尺寸为2m×2m的金属接地平板上。
　　②在屏蔽室内测量时，可用地面屏蔽层或任意一壁的屏蔽层作为接地平板。
　　试验时，对于非落地试品应放在离地平板0.4m高的绝缘支架或台子上。落地试品则放在接地平板上，其接触处应相互绝缘或与正常使用时一致。所有试品离其他金属物体表现的距离应大于0.8m。
　　人工电源网络的外表面和试品边界之间的最近距离应小于0.8m。网络的参考接地端应该用尽量粗短的导线接到接地平板上。电源电缆和信号电缆走线与接地平板间的相关情况应与实际使用情况等效，并应十分小心地布置电缆，以免造成假响应效应。
　　当试品有特别的接地端子时，应该用尽量短的导线接地。不装有特别接地端子的试品，应在其正常连接方式下进行试验，即从供电电网上取得接地。
　　由制造厂提供软性电源线的设备，其电源线的长度应为1m。如果实际长度超过1m，则超过部分应来回折叠成0.3m～0.4m的线束。
　　如果受试品由几个单元组成，而且每个单元都具有电源线，在与人工电源网络连接时，取决于下列规定：
　　?●接在标准电源插头的每根电源电缆都应分别测量；
　　●制造厂未规定须从系统中另一单元取得供电电源的电源线或端子都应分别测量；
　　?●由制造厂规定须从系统中某一单元取得电源的电源线或端子应接至该单元，而将该单元的电缆或端子接至人工电源网络进行测量；
　　?●当试品为了安全目的需要接地时，接地线应接在人工电源网络的参考接地点上。除了由制造厂提供接地线或对接地另有规定外，在无其他特殊要求时，接地线长度应为1m，并与试品电源线平行敷设，其间距不大于0.1m。
　　其他（如为电磁兼容目的）由制造厂规定或提供的接在用作安全接地同一端子上的接地线，也应接到人工电源网络的参考线上。
　　图4为传导骚扰电压测量的典型布置示意。

2  替代的测试方法
　　上述实验室终测配置讲求的是测试结果的准确性及与国内外测试机构之间的可比性，因此配置价格不菲，如果还要涉及到测试场地，则更不是一般生产企业所能接受了的。本节将推荐替代测试方案，在确保有一定可比性的前提下，尽量降低配置成本，为尽可能多的企业接受。
　　2.1  测量仪器和测试场地
　　（1）测量仪器
　　考虑到开关电源和不间断电源的特点，其内部均由电子线路构成，电源稳态工作时不产生火花、电弧和气体放电，也不产生家电产品特有的喀呖声干扰，只产生周期性的电压、电流及其谐波，因此推荐采用频谱分析仪。其价格较终测时采用的干扰接收机有大幅度下降。在标准规定的测试频率范围内，只要选用一台9kHz～1000MHz以上的频谱分析仪即可。
　　（2）人工电源网络
　　保留不变。
　　（3）天线
　　由于采用下述GTEM小室，其上下底板与内部隔板所起的功能类似于接收天线，所以在终测配置中用到的接收天线予以取消。
　　（4）测试场地
　　由于开关电源和一般用途的不间断电源的外形尺寸不算庞大，可望容纳在最近发展起来的吉赫芝横电磁波室（GTEM室）中。而小室的价格及工作频率范围也足以满足一般用户的需求。
　　尽管这种测试场地在CISPR11和GB4824标准中尚未表示认可，但在测试汽车用电子/电气零部件无线电骚扰特性的CISPR25标准中已经把TEM小室法作为测试零部件/模块辐射发射特性的标准试验方法。GTEM小室则是TEM小室的发展，有较大的试验空间，且与使用的频率范围没有矛盾，因而得到了越来越多的应用。
　　表3是GTEM小室的主要性能与可以容纳的试品尺寸，以资参考。
　　2.2  测试方法
　　（1）9kHz～1000MHz的辐射测试
　　采用GTEM小室和频谱仪的测试配置见图5所示。

　　为保证试验结果的重复性和可比性，试品每次试验所放置的位置应予固定。
　　关于极化的测试问题，由于小室内部隔板与上下底板之间的位置是固定的，因此只能通过试品的转动，让试品的几个面依次朝对隔板来实现。
　　2.3  其他可能的替代测试方法
　　国际上有人建议对小型电子设备采用类似CISPR14?1（对应的我国国家标准是GB4343?1《家用和类似用途电动、电热器具，电动工具以及类似电路的无线电干扰特性的测量方法和允许值》）中所提供的吸收钳方法来测试试品对外的辐射功率。采用此法的前提是试品尺寸较小，其辐射到空间的能量主要是通过试品的电源线等逸出的。因此，对这部分能量的测量可以用一个环绕电源线的吸收装置来实现。这个吸收装置便被称为吸收钳（或铁氧体钳）。这个方法的优点是简便易行，对环境要求不高，在屏蔽室里便可进行，而且测试结果有很好的重复性和可比性。图6是测试简图。限于篇幅，方法细节参阅相应标准。

　　此法已在CISPRG分会上作为对CISPR22（对应的我国国家标准GB9254《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》）的修订方案通过了该分会技术委员会的草案（CD），现已进入到秘书处起草成国际标准草案（FDIS）阶段。
　　由于上述原因，此法在技术上有一定可行性，且方法简单、重复可比，配置价格较低。只是吸收钳法与辐射骚扰的直接测量法之间还存在一个数据比对问题，但就方法而言，仍不失为一般企业的一个很好的试验方法。