低频共模传导抗扰度试验波形验证方法研究*

吴祯玮 马 欣 / .上海市计量测试技术研究院； .上海市电磁兼容检测重点实验室

0 引言

共模干扰，是指单个或多个电源线或者信号线，与参考地之间的干扰电压，干扰的电压幅值相等、相位相同，共模电流在线路与参考地之间流动。频率比较低，以传导方式传播的共模干扰，称之为低频共模传导干扰。

低频共模传导干扰常见的来源有：设备的电源有漏电故障；使用直流电源时导致正负极同时接地的错误安装（尤其多见于如通信基站等使用直流负电压供电的场合）；电气化铁路在其工作频率上对电网产生的共模电压干扰；以及上述干扰的谐波等。目前，基于国际标准IEC61000-4-16的低频共模传导抗扰度试验方法,已在核电、船舶、轨道交通和通信设备的电磁兼容检测中得到了广泛采用。

根据标准对低频共模传导抗扰度试验设备输出波形参数进行验证，是相关试验开展的先决条件。本文将重点分析研究低频共模传导抗扰度试验系统的关键参数及其验证方法。

1 IEC 61000-4-16 标准概述

IEC 61000-4-16:1998 对电子、电气设备在DC～150 kHz频率范围内的共模传导抗扰度试验方法进行了详细定义，该方法适用于电子电气设备的电源端口、控制/信号端口和通信端口。干扰方式分为直流连续干扰、交流连续干扰、直流短时干扰、交流短时干扰以及扫频测试等。

图1为典型低频共模传导抗扰度试验的示意图。进行试验时，首先应确定受试样品的基本性能，包括其典型的运行状态、试验端口、辅助设备、输入信号等。然后将合适的耦合网络和去耦合网络正确连接至受试样品。

如果端口与非屏蔽的信号输入/输出线缆、交/直流电源线缆相连，对注入点的共模源阻抗定义为150 Ω，而试验发生器内阻为50 Ω，因此使用的耦合网络阻抗应为100 Ω，并且根据施加电压是交/直流电压，确定耦合网络内与电容并联的开关3的断开/闭合。

图1 典型测试电路示意图

如果端口与平衡线相连，试验电压应当使用T型网络注入。对于屏蔽电缆，发生器的输出直接与屏蔽层连接，不需要额外的电阻和电容。如果试验端口有两个或两个以上的负载，试验电压应当同时施加在所有负载的端口和地之间。试验时将开关1依次选至所测的端口，使试验发生器与对应端口相连，并将当前不进行测试的其他端口的耦合网络开关2闭合，使之与地相连。

因为施加试验电压会产生漏电流，应当采取有效的安全措施保护实验人员避免不安全状况的发生。测试应按照计划要求进行，在测试中及测试后验证受试样品性能状态，最终确定受试样品的低频传导抗扰度能力等级。

2 关键参数

IEC 61000-4-16中，对干扰发生器的特性作了详细的规定。

1）用于DC试验的发生器的性能要求

典型的试验发生器是具有可变输出电压的DC电源，应有时间控制开关以进行短时驻留试验。具体参数如表1和表2所示。

表1 用于直流连续干扰试验发生器的参数

表2 用于直流短时干扰试验发生器的参数

2）用于16.67 Hz、50 Hz和60 Hz交流电源特征频率试验的发生器的性能要求

典型的试验发生器是一个可变的隔离变压器（与配电网络相连），并应具有时间控制开关以进行短时驻留试验。开关应能与电源电压波形的0°进行同步。具体参数如表3和表4所示。

表3 用于交流连续干扰试验的发生器的参数

3）用于15 Hz～150 kHz频率范围内的扫频试验的发生器的性能要求

典型的试验发生器是一个覆盖所涉及频段的波形发生器，它具有1×10-2十倍频/s或更慢的自动扫描能力，并具有10%步进的频率编程和手动设置。具体参数如表5所示。

表4 用于交流短时干扰试验发生器的参数

表5 用于扫频试验发生器的参数

3 验证的方法

3.1 波形验证的基本方法

为了使不同试验发生器的结果具有可比性，以下几个最重要的参数必须进行验证。

输出电压波形、发生器阻抗、频率准确度、开路输出电压准确度、输出电压开关时的上升和下降时间。为了验证设备的内阻以及带载能力，还需要对其短路电流进行测量。

在验证这些参数的过程中，需要使用电压探头、电流探头，以及带宽在1 MHz以上的示波器或等效的测量设备，并且这些测量设备的准确度应当优于5%。

图2、图3分别为试验发生器输出端的开路电压和短路电流测量系统示意图。应根据频率范围和量程选择适用的电压探头和电流探头，例如，电压探头耐压大于有效值300 V（有效值），电流探头最大测量值6 A（有效值）。

图2 试验发生器输出端开路电压测量系统

图3 试验发生器输出端短路电流测量系统

3.1.1 开路电压波形验证

①将干扰发生器输出端的“高端”连接到高压探头，发生器输出端的“低端”连接到高压探头的地线。

②电压探头直接连接到示波器的信号输入端。调节示波器的垂直灵敏度（例如，10 V/格）、时间基准（例如，10 ms/格）和触发模式（连续干扰设为自动触发；短时干扰设为单次触发），使波形能完整地出现在示波器屏幕中部。

③记录波前时间和半峰值时间。并且与标准要求进行比较，如不符合应立即停止试验并查找原因。

3.1.2 短路电流波形验证

①将干扰发生器输出端的“高端”通过导线短路到发生器输出端的“低端”。将导线穿过电流探头，注意电流探头的方向。

②电流探头直接连接到示波器的信号输入端。调节示波器的垂直灵敏度（例如，0.5 A/格）、时间基准（例如，10 ms/格）和触发模式（连续干扰设为自动触发；短时干扰设为单次触发），使波形能完整地出现在示波器屏幕中部。

③记录电流幅度、频率和切换时间等参数，并且与标准要求进行比较，如不符合应立即停止试验并查找原因。

需要注意，当所使用的电压探头不是差分探头时，必须在测量前确认探头负极所接端口相对于示波器的参考地没有电压，避免短路造成探头损坏。

3.2 发生器内阻的验证

根据图1，发生器的内阻只有在信号源有输出时才处于接通状态，因此其阻抗无法使用电阻表或网络分析仪直接进行测量。如果仅由出厂报告中得到相关数据，将给测试的准确性带来隐患。

为了对发生器的阻抗进行验证,可根据戴维南定理：“任一含源线性时不变一端口网络对外可用一条电压源与一阻抗的串联支路来等效地加以置换，此电压源的电压等于一端口网络的开路电压，此阻抗等于一端口网络内全部独立电源置零后的输入阻抗。”把发生器简化为一个有源二端网络，将可测量的网络开路电压E除以可测量的网络短路电流I，便可以依据公式计算发生器的内阻

图3所示方法为试验发生器输出端短路电流的测量方法，即将发生器输出的两个端口直接短路。用于短路连接的导线应尽可能的短，并且应使用单芯导线，这样选择也是为了减少电路中的感抗的引入，减少测量误差。

在测量开路电压与短路电流计算发生器内阻时，不可以只以直流输出时的值，或者某一点频率时的值作为结果，这样无法确保在整个频率范围发生器的内阻都能够满足标准的规定。通常应该选择足够的频率点，这些点至少应包括DC，16.67 Hz、50 Hz、60 Hz和150 kHz以及60 Hz与150 kHz之间的若干个频率点。

正确的顺序可以是：首先在直流时测出内阻的电阻R，判断R是否满足50 Ω（±10%）的要求，例如图4、图5为某试验发生器输出直流10 V时测量输出端开路电压和短路电流的结果，由此可计算得到R=50.2 Ω，说明该发生器在直流输出时电阻值满足标准要求。如果不满足，那么试验发生器内阻需要更换维修。如果满足，再逐个测量频率点并计算发生器内阻，例如图6、图7为某试验发生器输出频率为150 kHz、有效值为10 V时测量输出端开路电压和短路电流的结果，通过计算求得试验发生器内阻Z=52.1 Ω。

如果随着频率的升高，试验发生器的开路电压变小，那么有可能是试验发生器电压源至输出端口之间存在的对地分布电容过大。如果随着频率的升高，发生器的开路电压不变而短路电流逐渐减小，如图8所示的情况，计算得到的发生器内阻Z=59.2 Ω，无法满足50 Ω（±10%）的要求，比标准值偏大，根据阻抗公式：

不考虑内阻上的电容，可以推断，试验发生器的内阻电感过大，需要根据具体故障情况进行维修。否则的话使用这样一台试验发生器进行试验，虽然从输出的电压看不出异常，但是它在受试样品的线路上产生的干扰电流会小于正常的值，在受试样品的线间及内部产生的干扰电平也会偏小，这样的试验结果显然是不准确的。

图4 试验发生器直流输出时的开路电压

图5 试验发生器直流输出时的短路电流

图6 试验发生器输出频率为150 kHz时的开路电压

图7 试验发生器输出频率为150 kHz时的短路电流

3.3 短时直流干扰波形验证

在IEC61000-4-16超低频抗扰度试验中，短时直流干扰波形的发生是一个技术难点，通常采用整流变压器或大功率DC电源，并配合精准的时序控制加以实现。

对于短时直流电压波形，需要对波形的上升下降沿进行测量，标准要求波形的上升下降沿应在1～5 μs的范围之内。在实际的波形验证测量中，由于示波器电压探头存在一定的电容量（典型值10 pF）,而当示波器设置为1 MΩ的高阻状态时，探头的RC时间常数为10 μs。在这种情况下，上升下降沿的测量数据将发生滞后，无法落在1～5 μs的范围之内。

图8 试验发生器输出频率为150 kHz时的异常短路电流

为了解决这一问题，并使波形的测量更接近于实际的带载试验状态，可以在测量端口并联1个模拟真实受试设备的1 kΩ特征电阻（如图9所示）。在这种状态下，探头的RC时间将变为10 ns，能够测量出上升下降沿在1～5 μs范围内的波形。通过验证测量得到的电压波形如图10所示。

图9 短时直流干扰电压上升下降沿验证设置

图10 短时直流干扰电压波形

另外，如果用于干扰波形发生的DC电源容量不足或整流电路噪声过大，输出的短路电流将发生失真。具体表现为测得短路电流波形存在较大的纹波分量（如图11所示）。根据3.2章节中的原理，若纹波分量超过短路电流理论值的10%，试验系统将不符合标准要求。

短时直流干扰的短路电流波形应该在系统的最大输出电压值（例如300 V）下进行验证，以确保系统在极限状态下能够符合标准要求。正常的短路电流波形，应如图12所示，即当输出电压为300 V时，测得的短路电流为5.89 A。经过计算，等效源阻抗为52.8 Ω，在50 Ω+5 Ω标准要求区间之内，试验系统满足要求。

4 结语

图11 具有纹波分量的短路电流波形

图12 正常的短路电流波形

随着我国核电站、船舶工程、电气化铁路和通信基站等高速发展，低频共模传导抗扰度也越来越受到重视。目前，国内的许多EMC实验室都开始根据IEC 61000-4-16标准建立试验能力。而不同实验室的试验数据应具有可比性，同一实验室的数据也应具有可重复性。

实验室在开展低频共模传导抗扰度相关试验能力验证工作时，应重点关注以下几点：

①验证应在设备交流/直流，连续/短时等多种干扰输出方式下分别进行，确保设备所有的功能模块符合要求。

②验证至少应在设备的电压、电流和频率输出的极限点上进行，确保设备整体参数符合要求。

③对于设备的内阻以及切换时间等关键参数，应重点关注并测量，确保系统在这些技术难点满足标准要求。

本文介绍的低频共模传导干扰试验波形验证方法，可作为实验室进行设备期间核查及定期校验的技术参考，对试验数据质量的提高有着积极的意义。

[1]中国通信标准化协会.GB/T 17626.16-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.