EMI濾波器測試技術(shù)研究
在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中，電磁干擾能量可通過輻射性耦合或傳導(dǎo)性耦合進行傳輸。在抑制電磁干擾信號的輻射干擾方面，屏蔽是有效的措施；在抑制電磁干擾信號的傳導(dǎo)干擾方面，EMI濾波器是十分有效的器件。由于EMI濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的重要器件，所以研究EMI濾波器的測試方法就變得十分重要。
l EMI濾波器的測試指標(biāo)
1．1 共模干擾和差模干擾
實際上EMI電源濾波器起兩種低通濾波器的作用：衰減共模干擾和衰減差模干擾。對任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號，都可以用共模和差模干擾信號來表示。并且可把L—E和N—E之間的共模干擾信號、L—N之間的差模干擾信號看作獨立的EMI源，把單相電源內(nèi)的L—E、N—E和L—N看作獨立網(wǎng)絡(luò)端口來分析EMI信號和有關(guān)的濾波網(wǎng)絡(luò)。圖1中，U1和U2為共模干擾信號，U3為差模干擾信號。
1．2 EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖2所示為單相電源濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它是由集中參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，濾波網(wǎng)絡(luò)主要由兩只電感L1和L2，三只電容CX、CY1、CY2組成。如果把該濾波器一端接入電源，負載端接上被干擾設(shè)備，那么L1和CY1，L2和CY2就分別構(gòu)成L—E和N—E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號。此外，L1、L2又與CX構(gòu)成L—N獨立端口之間的低通濾波器，抑制差模干擾信號。
1．3 EMI濾波器漏電流性能測試
泄漏電流是指在250VAC的電壓下，相線和中線與濾波器外殼(地線)間流過的電流。它主要取決于接地電容(共模電容)的取值。較大的共模電容CY可以提高插入損耗，但卻造成較大的漏電流。泄漏電流的測試電路如圖3所示：
1．4 EMI濾波器耐壓性能測試
為確保電源濾波器的性能以及設(shè)備和人身安全，必須進行耐壓測試。耐壓測試是在極端工作條件下的測試。若CX電容器的耐壓性能欠佳，在出現(xiàn)峰值浪涌電壓時，可能被擊穿。它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器功能喪失或性能下降。CY電容器除了滿足接地漏電流的要求外，還在電氣和機械性能方面具有足夠的安全余量，避免在極端惡劣的環(huán)境條件下出現(xiàn)擊穿短路現(xiàn)象。故線一地之間的耐壓性能對保護人身安全有重要意義，一旦設(shè)備或裝置的絕緣保護措施失效，可能導(dǎo)致人員傷亡。
1．5 EMI濾波器的性能評定
EMI電源濾波器在使用時考慮最多的是額定電壓及電流值、耐壓性能、漏電流三項，而其中最主要的評定性能為濾波器的插入損耗性能。
EMI電源濾波器對干擾噪聲的抑制能力用插入損耗I．L．(Insertion Loss)來衡量。插入損耗定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P1和接入濾波器后，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的功率P2之比，用dB(分貝)表示。
2 EMI濾波器的頻域測試
測試標(biāo)準(zhǔn)的確定為電源EMI濾波器的各項指標(biāo)提供了統(tǒng)一的衡定依據(jù)。其中最主要的測試項目為濾波器頻域上的插入損耗測試
2．1 插入損耗的標(biāo)準(zhǔn)測試
在標(biāo)準(zhǔn)測量法中規(guī)定，在50Ω～75之間的任一阻值的系統(tǒng)內(nèi)測試它的插入損耗特性。測試原理如圖4所示。
實際測試時，常常利用屏蔽室來測試濾波器的插入損耗，測試圖如圖5所示。
2．2 插入損耗的加載測試
在EMI濾波器產(chǎn)品中，由于使用不合適的材料，共模扼流圈不可能保證完全對稱會導(dǎo)致磁環(huán)的飽和，同時寄生差模電感也可能產(chǎn)生磁環(huán)的飽和，使得濾波器的實際使用情況與廠家提供數(shù)據(jù)有很大差距，因此必須對濾波器采用加載測試。
3 EMI濾波器的時域測試
一般地，對于EMI電源濾波器我們只關(guān)心它的常規(guī)性能及頻域抑制性能。而對于EMI信號線濾波器，由于傳輸線本身就會產(chǎn)生一定的電磁干擾，所以測試信號必然會產(chǎn)生一定的衰減。這時，我們就要對其進行時域傳輸性能上的測試。
使用50kHz的方波對電容值為8000pF的濾波插針進行濾波，發(fā)現(xiàn)其時域的上升沿和下降沿有明顯的變化。頻域上，經(jīng)過濾波后，方波信號的高頻分量被濾除。
對于通過同一濾波插針，方波的頻率越高，其諧波信號被濾波插針?biāo)p的將會越大，則方波的波形上升及下降時間將會越長。同樣，對于同樣的頻率波形，通過濾波插針，其濾波容值越大，方波上升時間趨緩的程度越大。
4 EMI濾波器插損自動測試系統(tǒng)設(shè)計
近年來，隨著EMC測試的內(nèi)容日趨復(fù)雜，測試工作量急劇增加，對測試設(shè)備在功能、性能、測試速度、測試準(zhǔn)確度等方面的要求也日益提高。在這種情況下，傳統(tǒng)的人工測試已經(jīng)很難滿足要求，再加上現(xiàn)在的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)均要求電磁兼容的檢測必須自動進行，并且對數(shù)據(jù)后處理有嚴(yán)格的要求。因此，發(fā)展EMC自動測試成為必然之路。本文所建立的自動測試系統(tǒng)使用了虛擬儀器技術(shù)，基于信號源一頻譜儀對EMI電源濾波器進行插損測試的系統(tǒng)。
4．1 測試系統(tǒng)程序流程
本系統(tǒng)是在計算機上搭建一個虛擬的測試平臺，使用虛擬儀器技術(shù)通過通信總線GPIB在計算機上直接對頻譜儀進行程控，以減少測試夾具對濾波器插入損耗測試結(jié)果的影響。程序流程圖如圖6所示。
4．2 硬件接口與驅(qū)動
要實現(xiàn)該自動測試系統(tǒng)的功能，必須要解決的是實現(xiàn)計算機控制儀器運動及讀取測量的數(shù)據(jù)，而實現(xiàn)這一步首先要解決的問題是儀器和計算機之間的通信問題。在這里，選擇了具有GPIB(IEEE一488)接口的儀器。
另外系統(tǒng)還需要實現(xiàn)測試硬件的驅(qū)動，軟件中分別實現(xiàn)了對信號發(fā)生器的驅(qū)動和對頻譜分析儀的驅(qū)動。對信號發(fā)生器的程控是在VB環(huán)境中編寫的，軟件語句中參考說明書中驅(qū)動程序的編寫方法，完成了對信號發(fā)生器的基本設(shè)置，設(shè)置為射頻輸出方式，射頻信號的頻率調(diào)用信息輸入界面產(chǎn)生的頻點列表，發(fā)射頻率由用戶在軟件中設(shè)置。程序中首先定義命令中所用到的基本參數(shù)，然后進行程序的編寫，相應(yīng)代碼如圖7所示。
對頻譜分析儀的驅(qū)動是通過在VB環(huán)境中編寫程序，調(diào)用LabVIEW程序通過GPIB總線驅(qū)動頻譜．儀的方法。采集頻譜儀測試濾波器所產(chǎn)生的圖形和數(shù)據(jù)。
軟件通過調(diào)用LabVIEW文件的輸入輸出操作存儲數(shù)據(jù)或從磁盤文件中讀取校準(zhǔn)和測試數(shù)據(jù)(其中圖形為二維數(shù)組)，經(jīng)過調(diào)用代碼轉(zhuǎn)為圖形顯示出來并將校準(zhǔn)值和測試值存入數(shù)據(jù)庫。這里使用了VB和LabVIEW的混合編程，相應(yīng)代碼如圖8所示。
4．3 測試軟件的界面設(shè)計
用戶界面是用戶與應(yīng)用程序交互的媒介。用戶界面是應(yīng)用程序里最重要的部分，也是直觀的現(xiàn)實世界。對用戶而言，界面就是應(yīng)用程序。
本軟件由六個界面組成，分別是功能選擇界面、輸入信息界面、校準(zhǔn)界面、測試界面、結(jié)果顯示界面和歷史數(shù)據(jù)對比界面組成。功能選擇界面中用戶選擇軟件實現(xiàn)的功能，進行插損測試或者查詢歷史測試數(shù)據(jù)。在輸入信息界面中，用戶填入測試基本信息并確定測試頻點的范圍，形成頻點列表，測試頻點列表存入數(shù)據(jù)庫。在校準(zhǔn)界面，首先驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生信號進行校準(zhǔn)，設(shè)置發(fā)射功率并存入數(shù)據(jù)庫，然后驅(qū)動頻譜儀對測試濾波器進行校準(zhǔn)，產(chǎn)生校準(zhǔn)結(jié)果和圖形，并顯示出來。測試界面中再次驅(qū)動信號發(fā)生器，產(chǎn)生所需要的測試信號，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的發(fā)射功率不，再次驅(qū)動頻譜儀對濾波器插損性能進行測試，產(chǎn)生測試結(jié)果和圖形并顯示出來。在結(jié)果界面顯示插入損耗測試結(jié)果表和差模、共模的插損曲線圖。歷史數(shù)據(jù)對比通過添加數(shù)據(jù)庫中不同型號濾波器的插損結(jié)果進行對比，并生成對比曲線圖，方便用戶比較測試結(jié)果。
4．4 測試數(shù)據(jù)庫
在輸入信息界面，用戶輸入測試基本信息后生成一個管理數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中存放用戶定義的測試頻點和與之對應(yīng)的共模和差模的校準(zhǔn)、測試與插損的結(jié)果。若文件名相同則覆蓋原數(shù)據(jù)庫。確定測試頻點范圍后生成插入損耗子數(shù)據(jù)庫，校準(zhǔn)和測試結(jié)果存入子數(shù)據(jù)庫，并計算得出插入損耗測試值。如圖9所示。
4．5 測試數(shù)據(jù)的處理
由于頻譜儀產(chǎn)生的校準(zhǔn)值和測試值都是經(jīng)過處理后的計算值，單位為dB。所以根據(jù)公式(1)可知，插入損耗值即為校準(zhǔn)值與測試值之差。軟件中通過VB和LabVIEW的混合編程，可將頻譜儀生成的校準(zhǔn)和測試圖形在界面上顯示。
另外，軟件會將校準(zhǔn)結(jié)果和測試結(jié)果自動存入插入損耗數(shù)據(jù)庫中，并通過本軟件的插損計算公式得到共模插損數(shù)據(jù)和差模插損數(shù)據(jù)并保存。通過調(diào)用插入損耗數(shù)據(jù)庫可生成一個數(shù)據(jù)報表。本軟件使用DataReport數(shù)據(jù)報表設(shè)計器和數(shù)據(jù)源(Data Environment數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)計器)，創(chuàng)建一個可打印輸出的報表并且可以將報表導(dǎo)出到HTML或文本文件中。
5 結(jié)論
隨著電子設(shè)備以及各種電器的大量涌現(xiàn)和飛速發(fā)展，電子設(shè)備之間的電磁干擾(EMI)已成為一種嚴(yán)重的公害。EMI濾波器作為抑制電磁干擾的最有力的手段，日益為人們所了解和廣泛使用。因此，對EMI濾波器的測試技術(shù)的研究就變得十分重要。本文EMI濾波器各個方面的測試原理及方法進行了簡要的分析，并在插入損耗人工測試的基礎(chǔ)上編制了基于虛擬儀器技術(shù)的插損自動測試軟件。避免人工測試的一些缺陷，實現(xiàn)了測試的自動化，功能簡單、操作靈活。
下載文檔
