基于CS101试验过载现象的研究

杨文俊 李金蓉 张宇

摘要：在CS101（25Hz-150KHz 电源线传导敏感度）电磁兼容试验中，函数发生器输出正弦信号，经音频功率放大器放大后作为干扰源进行试验，可能会出现干扰源瞬态过载现象，导致对受试设备内部元件或部件的损坏，引起不必要的试验责任故障以及对试验结果的误判。本文以纯阻性负载作为受试设备进行CS101试验，对采集的试验信号和数据进行分析、归纳总结，提出可行有效的解决办法，为CS101试验设备和设备模式的选择以及采用相关设备的电磁兼容性试验提供保护参考方向。

关键词：CS101、GJB 151B-2013、音频功率放大器、电磁兼容

引言：

随着信息技术的不断发展，电气自动化水平的不断提升，武器装备、医疗器械、汽车电子等安全性关键性设备和分系统日益复杂的电磁环境，电磁兼容在产品研制中的问题日益凸显。电磁兼容领域的主要标准GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中，CS101（25Hz-150KHz 电源线传导敏感度）试验适用于设备和分系统的交流和直流输入电源线，不包括回线，主要目的为保证当允许纹波的电源波形失真发生时，受试设备不出现运行故障、产品性能的降低和削弱或者运行监测指标偏离规定的指标值等敏感现象。

本文发现，一些较为敏感的型号受试设备在CS101设计鉴定电磁兼容性试验中，按照GJB 151B-2003中CS101试验限值进行试验，会发生干扰信号电压幅值与理论大小差异较大的情况，导致产品内部器件或部件出现过压、短路、击穿等现象，导致EUT（受试设备）不同程度的损坏，而这些异常现象在理想状态下不会出现。为了查明原因，消除试验的非责任性故障，保护试验产品，减小产品的研发和试验费用，提升该项试验的结果判断的正确性，本文选择以纯电阻作为受试设备，按照GJB 151B-2003进行CS101试验，通过对信号数据的进行采集、多方面对比和分析，得出结论，并解决试验中存在的问题，改善试验现状，提升试验效率。

1 试验数据采集

1.1 试验原理及连接图

依据GJB 151B-2013进行试验，试验原理如图1所示，作为电源输入的LISN的信号输出端口接50Ω匹配负载，示波器选取高阻模式并使用隔离变压器隔离接地，函数发生器输出的正弦信号经特定型号功率放大器放大后经耦合变压器耦合到电源正线中。

试验布置连接图如图2所示，EUT选取为50OΩ纯电阻负载，电压为DC 28V的主电源供电，电容为三端口10μF电容，在进行CS101试验时，输入主电源线包括EUT地线和回线不采取任何屏蔽措施。扫频测试时，在每一谐振频率上至少驻留3S或者是去EUT响应时间二者取最大值，扫描步进的最大步长为5%。

1.2 信号采集

1.2.1 增加函数发生器的输出电压时的输出

函数发生器输出频率为25Hz正弦信号，音频功率放大器增益为100%时，保持频率不变，将函数发生器输出电压峰峰值从90mV增加至110mV时，用示波器在函数发生器输出端监测输出信号，监测到周期T=40ms的正弦波中出现约为17ms的电压为0的异常波形，详见图3。

1.2.2减小函数发生器的输出电压时的输出

函数发生器输出频率为25Hz正弦信号，音频功率放大器增益为100%时，保持频率不变，将函数发生器输出电压峰峰值从110mV降低至90mV时，用示波器在函数发生器输出端监测输出信号，监测到周期T=40ms的正弦波中也出现约为17ms的电压为0的异常波形，详见图4。

1.2.3音频功率放大器增益≤70%的输出

函数发生器输出设置为零，将音频功率放大器的增益从0逐渐增加到70%时，用示波器在耦合变压器的输出端监测到一个交流有效值不随增益增加而变化的正弦信号，详见图5。

1.2.4音频功率放大器增益≥70%的输出

函数发生器输出设置为零，将音频功率放大器的增益从70%逐渐增加到100%时，用示波器在耦合变压器的输出端监测到一个交流有效值随增益增加而呈现不规则变大的失真正弦信号，如图6。

2分析原因和提出解决办法

经过对CS101試验的多次监测与复现，若函数信号发生器输出模式为Rang（auto），输出的正弦函数并不是连续的正弦波，而是一个会随着输出电压峰峰值的增大而不定期出现缺失（约T=18ms输出为零）的周期T=40ms的正弦波形。考虑在特定音频功率放大器的前提下，当放大器的输入端没有信号输出，放大器增益为70%以下时，试验中在耦合变压器的输出端会监测到一个50Hz的交流有效值约为4.2V的规整的噪声干扰正弦信号。当放大器的输入端没有信号输出，放大器增益从70%增加至100%最大时，放大器出现过载现象并在耦合变压器的输出端输出一个频率约为53.7Hz，周期为18ms，电压峰峰值约为57V的严重失真且随增益变大而峰峰值变大的正弦信号。

因此，如果函数发生器能输出连续的正弦波，在耦合变压器输出端将输出规范的正弦信号，从而得到满足GJB151B-2003中CS101曲线二要求的正弦干扰信号。

本文发现，将函数信号发生器输出模式调整为Rang（hold）模式时，按照GJB 151B-2013中曲线二规定限值在25Hz至150kHz进行扫频试验，函数发生器将输出连续的正弦波，试验中在耦合变压器的输出端没有监测到缺失（约T=18ms输出为零）的正弦信号，而是保持为连续的周期正弦波，如下图6所示。

通过对整个频段，即25Hz至150kHz，进行扫频试验，证明了分析结果的正确性，满足GJB 151B-2013中CS101试验对干扰信号的要求，进而有效的改善了试验正确实施性，提升了试验结果的正确有效性，降低了由试验设备导致的受试设备的损伤风险，排除了非责任性故障对试验的干扰。

当调整函数发生器的输出模式为Rang（hold）模式，使信号源输出为连续的正弦信号时，该试验能实现自动扫频测试，且满足GJB151B-2003中对CS101敏感度测试要求。

3 进一步的解决方案

为了解决现有某些型号的函数发生器或音频功率放大器等设备性能对试验的局限，或者是因为试验误操作对关键性设备和分系统造成损失，以及 试验结果的误判，有必要对CS101试验中功率放大器因输出过载而导致的问题做出保护，本文提出以下三种保护方法：

（一）通过试验得出，當特定音频功率放大器的输出增益低于设备过载限值时，在耦合变压器输出端能得到一个稳定的正弦信号，因此在按照GJB 151B-2013中CS101考核曲线校准时，应尽可能减小输出增益，进而保证增益不过载。

（二）在音频功率放大器的输出端增加保险丝装置，选择适合的门限电压即可，此处针对GJB 151B-2013中CS101限值曲线二，限定保护电压不超过2V。试验中一旦出现过压，保险丝存熔断不可使用，该方法可以确保EUT不会因为过压冲击造成损坏。

（三）在音频功率放大器的输出端并联二极管限幅保护电路，如图7所示，Ui为输入正弦信号，E为门限保护电压，R为保护电阻，Uo为输出信号。Ui经过双向保护电路后变成正负幅值不超过大小E的数值的信号，该方法简单有效的保证了EUT的试验环境安全，使得不会因为试验考核限值以外的电压对EUT造成非责任性的故障和损坏。

4 展望

通过对CS101中试验信号的采集、分析，针对音频功率放大器存在的过载现象，本文提出了相关的解决和改进措施，一是为CS101的自动测试输出模式与音频功率放大器的选择提供了参考，二是当采用该类信号源以及音频功率放大器以及类似试验电路图进行的一些电磁兼容性或者供电兼容性试验，如HB 20326中LDC103、LDC104试验，可以采用相同的调节模式和解决过载的办法，以此来保护EUT不会出现非责任性故障和问题，对产品造成不可恢复的损伤，导致对试验结果的误判，节约产品研制成本，提升试验效率。

5 结语

本文以设计鉴定电磁兼容性试验中CS101出现的问题为切入点，以500Ω的纯电阻负载代替EUT，采集多项对比数据，通过对数据的分析，得出函数发生器在不同的模式下的输出特性，以及音频功率放大器的试验特性。并针对功率放大器易过载的问题，提出了三种可行有效的处理措施，为EUT提供了严格按照GJB 151B-2013要求的干扰信号，降低了产品研制成本，提升试验效率和结果判断的正确性，为相关试验提供了保护参考方向。

参考文献

【1】中国人民解放军总装备部.GJB 151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].北京：中国标准出版社，2013.

【2】对CS101测试功放保护问题的探讨与改进[J]. 黄泳樟，姜传飞.环境技术.2020（S1）

【3】CS101试验的功放保护方法研究[J].傅小叶，张荣荣，李金蓉，张宇.数字技术与应用.2019（03）

作者简介：

第一作者：杨文俊（1994.05-）男，白族，籍贯贵州黔西，本科学历，（现目前的职称）助理工程师，研究方向——电磁兼容

第二作者：李金蓉（1994.01-）女，穿青族，籍贯贵州贵阳，硕士研究生学历，（现目前的职称）工程师，研究方向——电磁兼容

第三作者：张宇（1993.09-） 男，汉族，籍贯云南文山，本科学历，（现目前的职称）工程师，研究方向——电磁兼容