运行时间和机内温度对电子产品EMI 试验结果的影响

2023-09-07何观寰陈正茂杜华杰

日用电器 2023年7期

何观寰陈正茂王鑫杜华杰

（威凯检测技术有限公司广州 510663）

引言

大量电磁兼容测试经验表明，许多电子产品在电磁兼容发射测试（EMI）时，测试结果会随产品运行时间的增加而变化。在同样的试验场地、设备、环境、辅助设备情况下，仅因产品运行时间的不同就导致了测试结果的差异。猜想可能是随运行时间增加，产品机内温度升高，使得电路中电子元器件的电磁特性发生变化，进而改变了产品的EMC 性能，最终导致测试结果产生变化。为了验证这一猜想，本次进行了运行时间和机内温度对EMI 测试结果影响的对比试验。

1 试验方案

本次试验随机挑选的5 款不同品牌、不同型号的电源适配器作为EMI 测试对象，样品编号分别为1#～5#。测试项目选定为交流电源端口的传导发射测试（下称“传导测试”）。

传导测试依据GB/T 9254.1-2021《信息技术设备、多媒体设备和接收机电磁兼容第1 部分：发射要求》标准要求进行，电源适配器按B 级设备限值要求。

试验在屏蔽室内进行，试验环境为温度25.3 ℃，湿度56 %RH。主要测试仪器有EMI 测量接收机、人工电源网络、80 cm 绝缘桌子、热成像仪、热风机、水泥电阻负载等。一共设有两组对比试验：不同运行时间的测试、不同机内温度的测试。试验步骤如下：

1.1 不同运行时间的测试

1）将样品的机壳拆下，以便于热成像仪探测机内温度变化情况；

2）依据GB/T 9254.1-2021 对样品进行试验布置，样品端接相应规格水泥电阻，使其保持额定功率输出状态；

3）样品上电工作后立即进行交流电源端口的传导发射的测量，测量数据记录为“工作0 min 传导数据”（如图1 所示），并且使用热成像仪测量此时样品的温度，温度数据记录为“工作0 min 温度状态”（如图2 所示）；

图1 样品1#工作0 min 传导数据

图2 样品1#工作0 min 温度状态

4）保持试验布置、工作状态等条件不变，样品上电工作每10 min，进行一次交流电源端口的传导发射的测量，测量数据记录为“工作n min传导数据”（如图3所示），并且使用热成像仪测量此时样品的温度，温度数据记录为“工作n min 温度状态”（如图4 所示），直到上电工作30 min。

图3 样品1#工作30 min 传导数据

图4 样品1#工作30 min 温度状态

1.2 不同机内温度的测试

5）将样品静置冷却，使其机内温度到达与“工作0分钟温度状态”相近的状态后，进行交流电源端口的传导发射的测量，测量数据记录为“冷机传导数据”（如图5 所示），并且使用热成像仪测量此时样品的温度，温度数据记录为“冷机温度状态”（如图6 所示）；

图5 样品1#冷机传导数据（静置冷却后）

图6 样品1#冷机温度状态（静置冷却后)

6）样品断电，使用热风枪对样品进行加热，使其机内温度到达与“工作30 min 温度状态”相近的状态后，然后上电工作，进行交流电源端口的传导发射的测量，测量数据记录为“热机传导数据”（如图7 所示），并且使用热成像仪测量此时样品的温度，温度数据记录为“热机温度状态”（如图8 所示）；

图8 样品1#热机温度状态（热风枪加热后）

7）对样品1#～5#均进行以上第1）到第6）步的操作，整理数据，进行对比分析。

2 试验结果与结论

记录并整理样品1#～5#每次测量结果准峰值的最大发射幅值，如表1～5 所示。

表1 样品1#传导测试数据—准峰值

表2 样品2#传导测试数据—准峰值

表3 样品3#传导测试数据—准峰值

表4 样品4#传导测试数据—准峰值

表5 样品5#传导测试数据—准峰值

通过数据对比与分析，可以得出以下试验结论：

1）通过数据表可以发现5 个样品中，有4个样品的传导测试结果随运行时间、机内温度有明显变化（相差2 dB 以上），且“工作0 min”与“冷机”、“工作30 min”与“热机”的数据均比较接近（相差小于2 dB）。试验表明，电子产品EMI 测试存在温度效应，随着产品的运行时间增加，机内温度升高，产品的EMC 性能发生变化，最终影响测试结果，甚至对标准符合性判定造成影响。

2）测量结果有明显变化的4 个样品中，有2个样品测试结果随着运行时间增加、机内温度升高而传导骚扰明显减小；有2 个样品测试结果随着运行时间增加、机内温度升高而传导骚扰明显增大。试验表明，不同产品的EMI 测量结果受运行时间、机内温度影响的趋势及程度各不相同。

3）测量结果有明显变化的4 个样品中，运行时间前20 min 的测试结果变化较大，第（20～30）min 的测试结果变化较小（1 dB 以内），可能是因为产品机内温度随运行时间增加而越来越稳定，因此产品EMC 性能也越来越平稳，使得测试结果逐渐稳定。

3 原理分析

试验证明机内温度对电子产品的EMC 特性存在一定影响，那么该影响是如何产生的呢？

3.1 电磁骚扰产生与抑制措施

电子设备产生电磁骚扰的根本原因在于电压/电流产生不必要的变化，由于实际电子元器件与理想元器件存在一定差异，电路的电压/电流信号会发生设计预期外的变化，因此电磁骚扰普遍存在于各类电子设备中。抑制电磁骚扰的基本方法主要有：接地、屏蔽、滤波，其中滤波器主要由电阻、电容、电感、磁珠磁环等组成。

3.2 滤波元器件—电容器、电感器、磁芯

电容器与电感器的参数对滤波器的性能有决定性影响，以LC 差模滤波器[1]（如图9）为例，该滤波器的插入损耗曲线如图10 所示，其调谐频率F0的计算公式为：

图9 有差模滤波电路的开关电源传导骚扰测试等效电路图

图10 实际电源中的LC 差模滤波电路的插入损耗

由插入损耗曲线及公式（1）可知滤波器中的电容器及电感器的规格参数直接决定了滤波器的插入损耗及谐振频率。而有研究表明，电容器的容值与电感器的感量会随温度的变化而产生变化[2,3]。类似的反应也会发生在磁珠磁环等磁芯中，温度的变化会导致铁氧体的磁导率的变化[4]，影响其功率损耗。因此可以推断，随着产品运行时间增长，机内温度升高，滤波器的插入损耗和谐振频率，以及磁体的磁导率发生了变化，进而改变了产品的EMC 性能，最终导致EMI 测试结果的变化。

3.3 发热元器件—集成电路（芯片）、变压器等

一些元器件在运行中，会产生功率损耗并转化为热量，当热量的释放量大于排放量，机内热量便会积累，导致机内温度升高。这些发热元器件不仅会使得滤波电路温度升高从而影响滤波性能，还会使发热元器件本身的EMC 性能发生改变。例如，集成电路（芯片）的温度变化会对电子电路板的电磁发射或磁化率产生不可忽略的影响[5]。又例如，变压器的温度升高会导致变压器实心绕组的电阻增大了振荡的衰减，并减小振荡的锐度，使得谐振回路的品质因数下降，而且产生的有功损耗使得调谐频率偏移[6]。

4 建议

为保证产品EMC 性能稳定可控，建议厂家在研发设计时，充分考虑产品运行时的温度状态，对芯片、变压器等发热元器件做好散热处理，温度敏感的电子元器件尽可能远离热源布局，EMC 滤波电路尽量使用温度特性良好的元器件，例如X7R电容等。

对于EMC 测试实验室，建议严格按照产品标准和方法标准关于预运行/预热时间的要求，对受试设备进行测试前的预运行，例如照明设备在EMC 测试前，应按照GB/T 17743-2021 标准的7.8条款的要求预运行到稳定状态[7]。如果没有给定预运行/预热时间，在试验之前，受试设备应运行足够的时间，以保证其工作方式和工作状态为寿命期限内的典型状态[8]。并且应在足够长的时间内观察产品的骚扰电平是否稳定，对于骚扰电平不稳定的产品，应依据测试方法标准的相关要求，延长测量接收机的读数观察时间，进行进一步的验证。