电磁兼容检测规约对传导骚扰测试的影响分析

扈罗全，王安懿

(1.苏州出入境检验检疫局，江苏 苏州 215104;2.东南大学信息科学与工程学院，南京 210018)

0 引言

在电磁兼容检测的基础标准(CISPR系列及IEC 61000 系列)相关技术条款的阐释中［1～5］，隐含着一些重要的规则，称之为电磁兼容检测的规约。这些规约有:最大骚扰电压(或者最大某检出分量)，正常工作状况，以及统计意义上的判断结论等。鉴于不同样品的工作状况对测试结果影响明显，以CISPR 14-1等标准中对人工模拟手的要求，作为分析参量，分析并讨论模拟手在实际传导骚扰电平检测中的影响幅度和影响机理，以及如何在实际检测过程中正确布置人工模拟手的走线方式，得到科学合理的测试数据。

1 电磁兼容检测三个规约

1.1 最大骚扰电压

以CISPR14-1:2005为例。对于该标准中的传导骚扰测试，要求调节待测物(EUT，equipment under test)，使其在测试过程中得到最大的骚扰电平。这个要求是一个通用的基本要求，但是具体如何调节EUT，标准并没有详细指明。在各个不同的EMC检测实验室，其操作往往不一样。以传导骚扰测试为例，除了传导骚扰测试项目本身的测量不确定度之外，EUT的工况对应于不同的骚扰电平，对测试结果的影响不可忽视。

1.2 正常工作状况

现以真空吸尘器的传导骚扰测试为例进行分析。如果真空吸尘器的使用工况以其工作电流来衡量，见表1，并且记吸尘器在最高速状态运行时的工作电流为I1，在最低速状态运行时的工作电流为I2，δ=I1－I2，电流误差控制在±3%之间。在一些特征频率点上，测量了待测物不同工作状态下的骚扰电压，2 MHz时的电平值，见表2。

表1 吸尘器的工作电流值

表2 频率为2 MHz时不同工况下的骚扰电压

从表2可以看出，不同工况时EUT的骚扰电压差距非常明显。类似现象在骚扰功率的测试过程中同样存在。因此在进行EMC检测时记录下其运行工况指标，是EMC检测过程中一个十分重要的步骤。表面上看不同的骚扰电压测试结果似乎是由于EUT本身造成的，但实际上要求测试系统能够监测EUT的不同使用工况。由于目前传导骚扰测试系统中没有对EUT工况相应的监测功能，因此在测试系统中实行对EUT工况的实时监测十分重要。

1.3 基于统计意义的结论

CISPR标准要求针对同批次的产品，样本数在3～12之间(推荐样本数至少为5)，使用置信度为80%的t－分布统计量对骚扰电平进行统计评估［2］。计算公式为

式中，Sn为估计的样本标准偏差;xi为单个样本的测量值;为样本的均值;k为非中心t－分布，置信度为80%和95%时，对应于样本数n的系数，k的值见表3。

表3 一定置信度和样本数n时t－分布对应的系数k

从表3可知，置信度越大，必须样本均值越小，才能保证满足限值的要求。如果样本的均值x－满足式(1)，根据标准［2］的要求，k取置信度为80%时的值，则该样本空间的均值至少有80%的概率位于限值L之下。事实上从统计学的角度来看，有超过80%的概率，样本的测量电平位于限值L之下，此时样本均值的真值落于±kSn之间的概率为80%。目前CISPR标准中制定的限值即取置信度为80%。标准［1］认为满足式(1)的样本的辐射骚扰测量值符合标准的要求。

在标准［1］中，对于统计评估公式，使用相对限值，即按照下面的公式进行评估

在实际检测过程中，很多检测工程师大多是按照单样本进行判断。例如在2011年10月，上海市质监部门公布的对在上海生产、销售的微型计算机及液晶显示器产品质量进行专项监督抽查发现，4批次产品不合格，包括某知名品牌在内的产品辐射骚扰项目均不合格［6］。这些型号的产品在复查时又均合格。实际上根据标准的内在要求，在测试结果复查过程中，应该使用多样本对产品进行电磁辐射电平的评估，最终基于统计意义做出电磁兼容检测标准判断的结论。

2 电磁兼容检测规约对传导骚扰测试过程的影响——人工模拟手案例

2.1 标准要求

CISPR 14-1标准中对金属箔有如下要求:宽度为60 mm。金属箔建议采用铜箔，但实验室中通常都使用铝箔，其厚度为0.05 mm，宽度为60 mm，长度根据实际需要而定，但是不能超过1 m。确定长度的原则是尽可能短，以降低人工模拟手的寄生阻抗。对于键盘等待测物，金属箔尺寸要求为100 mm×300 mm［3］。需要特别指出，模拟手接地端必须连接测量系统的参考地。根据CISPR 16-1-2条款4.9对于参考地的连接要求［3］，如果待测物需要接地，就需要使用人工电源网络(AMN)的接地端。传导骚扰测试系统如图1所示。在传导骚扰测试系统中，AMN放置在一个面积在2 m×2 m以上的金属平板上。

图1 传导骚扰测试系统示意图

标准［3］第 8.3小节中并没有严格规定人工模拟手的走线方式。人工模拟手等效电路图，如图2所示。在8.3小节中同时指出，图2中RC元件的位置没有严格要求，但是从复现性的要求来看，一种实用的 RC元件的位置是置于AMN的内部。

图2 人工模拟手等效电路图［1］

2.2 最大骚扰电压的内在要求

通过调查分析，发现不同实验室对人工模拟手都没有固定的规范。根据前面提出的最大骚扰电压这一规约的内在要求，需要在降低环境电磁噪声的前提下，寻找最大骚扰电平。

为了降低测试系统对待测物测试结果的影响，有两种可行的路径使得人工模拟手走线取得最小环路面积。(1)在AMN内部安装如图2所示的RC电路元件，把图2中的E点统一使用AMN提供的接地点;(2)需要将模拟手的走线与电源线一起走线，使用外部RC电路元件，把图2中的E点连接到AMN的接地点。

通过上述方式减少人工模拟手引入的接地环路的面积，就能够避免因“就近接地”而造成大面积环路，使测试系统遭受意外的电磁骚扰影响［7，8］。图1中的双虚线表示图2中M端与待测物之间的连接。目前在CISPR 14-1标准中相关条款(条款5.1.4，条款5.2.2.2)没有对减少接地环路这个条件做出详细描述。因此建议在对该标准修订时应予以考虑，将最小环路面积的走线方式纳入标准条款中。

2.3 人工模拟手阻抗性能

不考虑模拟手的寄生阻抗，模拟手阻抗计算为

式中，Rs和Cs为等价的串联电阻和串联电容。在进行典型的传导骚扰电压测量时，测量频段为0.15 MHz～30 MHz，取其典型中间频率值 15 MHz，代入图2中的电参数，并由式(4)可得=512 Ω。在整个测试频段范围内，模拟手的实际等效阻抗从高频到低频为511 Ω～4850 Ω，如图3所示。

图3 模拟手实际等效阻抗与频率的关系

模拟手会明显影响传导电磁噪声。有文献认为由于阻抗失配，原本通过空间发射出去的电磁分量，通过模拟手反射回来［7］。事实上，在传导骚扰测试频段内的电磁分量，主要通过有线信道模式传播，而并非通过空间辐射等无线信道模式传播。模拟手对电磁骚扰测试电平的影响，一个主要原因是由于模拟手的出现，改变了待测物的实际阻抗。根据电磁波传播的原理及规律，阻抗发生改变，传播的路径和通过的频率分量也发生改变。

通过分析大量样品的实测数据，发现通常待测样品本身的阻抗在百欧姆数量级(与之作为比较，电视机视频电缆的特征阻抗为75 Ω)。显然，连接模拟手后的并联效应使得待测样品的特征阻抗在一定范围内发生变化。由于不同测试样品有自身不同的阻抗，最终使得测试系统中样品的工作阻抗不同。当阻抗发生较大变化以后，测试得到的电磁骚扰信号的电平变化会比较明显。例如，当含有接地线路的手持式设备，连接上人工模拟手之后，其测试结果与不连接模拟手的结果非常接近［8］。这从另一个方面证明，人工模拟手与一段近似为零电阻的金属导线并联，最终的合成阻抗接近于零值，即对待测物自身的阻抗影响非常小，因此测试所得的骚扰电平变化不大。

2.4 数据分析与讨论

分别取17 W手持式风扇(记作样品1)、1600 W手持电吹风(记作样品2)和2000 W手持式电钻(记作样品3)作为待测样品。风扇的运行工况分类情况如下:工作电压230 V@50 Hz，使用人工电源网络自带的模拟手，并且模拟手走线和电源线连在一起(记作工况1);使用自制的模拟手(电阻505 Ω，电容233 pF)，并且模拟手走线和电源线组成一个环路面积约为1 m2的连接方式(记作工况2);不连接模拟手(记作工况3)。

三个样品的测试数据，如图4所示。从图4中可以发现，对于小功率的样品1，不同测试工况条件下，在测试频段范围内电平值变化不大(图4(a)中没有区分三种不同工况的测试结果)。对于本文选取的常用家电产品——电吹风，在1 MHz以上，模拟手引入明显的短脉冲电磁噪声。对手持式电钻的测试数据分析结果表明，不同工况的测试结果之间的差别十分明显。理论上，工况2的电磁骚扰强于工况1，工况1的电磁骚扰强于工况3。但是，在高频和低频范围内，由于复杂测试环境的综合影响，骚扰电平的强弱会有所不同。

图4 传导骚扰测试数据

图4(c)的结果表明，在15 MHz以上，模拟手成为高频电磁波分量的泄出端口;在15 MHz以下，模拟手同时又成为低频电磁波分量的流入端口。模拟手使高频电磁分量的电平下降、使低频电磁分量的电平上升的现象，称之为模拟手的频率选择效应。这种现象也出现在其他测试数据中［7，8］。

现在使用阻抗匹配的模型，分析上述模拟手频率选择效应的成因。在频率为5 MHz以上，模拟手的等效阻抗变化很小，阻抗值在530 Ω以下。在低频段(尤其是5 MHz以下)，模拟手的等效阻抗变大的趋势十分明显。阻抗变小，电磁频谱分量输出较为容易;反之，频谱分量被限制在待测物端。

在低频段传导骚扰出现的电平增加的电磁分量，来源于待测物自身产生的电磁骚扰，而并非通过模拟手从接地端传输过来的环境电磁噪声。这可以从有接地线的手持式产品加装人工模拟手后，骚扰电平基本没有变化可以得到验证。由于模拟手是导体装置，其作用类似于一个收发天线，它把待测产品产生的电磁骚扰分量集中接收后，感应到电源线，从而影响使用AMN测量的火线或零线的骚扰电平。这种影响不是通过捕集空间发射出去的电磁分量这种机制。本质上，在15 MHz以下频段的电磁分量，很难通过空间辐射的方式发射出去。

3 结语

电磁兼容检测是一个综合性很强的测试项目。针对不同待测物的相同测试项目，样品的现场布置经常差别很大。通过深入理解电磁兼容检测的三个规约，可以帮助工程师在理解标准相关条款的过程中，更好地检测待测物。使用电磁兼容的最大骚扰电压规约，很好地解决了在传导骚扰测试过程中，有关人工模拟手走线方式这个长期困惑检测工程师的问题。人工模拟手会明显影响传导骚扰的测试电平。这种影响并不是通过模拟手把辐射电磁波的阻抗界面反射回来，而是通过把待测产品产生的电磁骚扰分量集中接收后，感应到电源线，从而影响低频段的传导骚扰电平。分析结果表明电磁兼容规约有实际使用价值，值得在今后的电磁兼容检测工作中推广使用。

［1］CISPR.CISPR 14-1:2005+A1:2008.Electromagnetic Compatibility Requirements for Household Appliances Electric Tools and Similar Apparatus-Part 1:Emission［S］.Switzerland:IEC Press，2008.

［2］CISPR.CISPR 22:2005+A1:2005+A2:2006.Information Technology Equipment Radio Disturbance Characteristics Limits and Methods of Measurement［S］.Switzerland:IEC Press，2006.

［3］CISPR.CISPR 16-1-2:2006+A1:2009.Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods-Part 1-2:Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus-Ancillary Equipment-Conducted Disturbances［S］.Switzerland:IEC Press，2009.

［4］沈国连.一种新的评判任意电磁环境中被检测件电磁发射电平的方法［J］.航空电子技术，2007，38(4):41-45.

［5］郑军奇.EMC(电磁兼容)设计与测试案例分析［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［6］佚名.同方、神舟电脑存辐射骚扰［EB/OL］.http://cn.made-in-china.com/info/article-2085164.html.［2011-10-27］

［7］黄大明.模拟手在电磁兼容测量中的应用［J］.安全与电磁兼容，2007(1):16-18.

［8］尹洪涛，付洪英.人工模拟手对骚扰电压测试的影响［J］.上海计量测试，2009(2):14-16.