Введение
Тестирование проводимых помех — это самый простой для освоения, но и самый подверженный ошибкам раздел электромагнитной совместимости. Он измеряет шум, возвращающийся от порта питания в сеть в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц, при этом результаты измерения сильно зависят от импеданса на стороне сети: смена розетки для одного и того же устройства приводит к изменению показаний. Искусственная сеть питания (LISN) существует для устранения этой переменной: она изолирует шум сети, обеспечивает заданный импеданс для испытуемого оборудования и связывает напряжение помех с измерительным приемником. В данной статье разъясняются три функции LISN и значение индуктивности 50 мкГн, приводятся методы различения путей общего и дифференциального режима, объясняется разница между квазипиковым и средним детектированием, выстраивается полная цепочка от превышения до требуемого затухания фильтра, а также перечисляются ключевые моменты настройки для предварительных испытаний на совместимость и четыре типичных ошибки интерпретации.
1. Что измеряет тестирование проводимых помех: диапазон, пути и необходимость задания импеданса
Измерение проводимых помех определяет напряжение помех, излучаемое испытуемым оборудованием через линию питания; стандартный диапазон составляет от 150 кГц до 30 МГц. Выше этого диапазона эффективность излучения проводов возрастает, и помехи распространяются преимущественно через пространство, что контролируется разделом излучаемых помех. Эта граница не является физическим скачком, а представляет собой линию, проведенную стандартом для разделения двух типов явлений при оценке.
Помехи в этом диапазоне исходят от двух совершенно разных источников. Пульсирующий ток на входе импульсного блока питания является типичным источником дифференциального режима; его частоты сосредоточены на частоте переключения и ее низших гармониках. С другой стороны, связь через паразитные емкости относительно опорной земли является типичным источником общего режима, включая емкость между радиатором и корпусом, емкость между обмотками трансформатора, а также связь кабеля с землей. Распределение этих двух типов в спектре различно, как и методы их подавления, поэтому определение доминирующего типа является первым шагом в устранении нарушений.
Почему необходимо задавать импеданс на стороне сети? Потому что напряжение помех представляет собой падение напряжения на импедансе, и при разных импедансах показания будут различаться. Импеданс сети резко меняется в зависимости от места, времени и нагрузки; для одного и того же устройства показания в разных розетках могут отличаться на десятки децибел. Роль искусственной сети питания заключается в обеспечении на порту испытуемого оборудования заданного импеданса, не зависящего от частоты, одновременной блокировке шума самой сети и передаче напряжения помех к приемнику с известным коэффициентом связи.
2. Три функции искусственной сети питания и индуктивность 50 мкГн
Стандарт предписывает три функции для искусственной сети питания. Первая — обеспечение заданного импеданса на порту испытуемого оборудования в радиочастотном диапазоне. Вторая — изоляция тестовой цепи от нежелательных сигналов в сети питания. Третья — связь напряжения помех с измерительным приемником. Ни одна из трех функций не может быть опущена: без первой измерение невоспроизводимо, без второй в измерения вмешивается шум сети, без третьей нет доступного сигнала для измерения.
Значение 50 мкГн является результатом компромисса. Оно обеспечивает высокий импеданс на стороне сети, блокируя шум сети; на стороне испытуемого оборудования оно в сочетании с емкостной сетью формирует стандартную кривую импеданса. Стандарт определяет несколько типов сетей в зависимости от диапазона: для диапазона от 9 кГц до 150 кГц используется сеть 50 Ом + 50 мкГн + 5 Ом, для диапазона от 150 кГц до 30 МГц — сеть 50 Ом + 50 мкГн, а для автомобильной техники и случаев с большим током — сеть с низким импедансом 50 Ом + 5 мкГн + 1 Ом. Выбор типа сети определяется стандартом на продукт, а не тестировщиком.
Есть три детали использования, которые часто упускают из виду. Во-первых, сеть имеет номинальный и пиковый ток; пусковой ток конденсаторного выпрямителя может превысить номинальное значение пикового тока, и при превышении измерение становится недействительным. Во-вторых, измерительный порт должен быть нагружен на 50 Ом, неиспользуемые выходы также должны быть нагружены. В-третьих, обычно встроен или подключен внешний аттенюатор на 10 дБ; его коэффициент затухания является частью коэффициента деления напряжения, и его нельзя упускать при пересчете показаний.
3. Общий и дифференциальный режим: два пути и три метода различения
Дифференциальный режим — это режим, при котором ток течет по одному проводу и возвращается по другому, совпадая по направлению с самим током питания; он генерируется преимущественно пульсирующим током преобразователя. Общий режим — это режим, при котором токи в обоих проводах текут в одном направлении и возвращаются в опорную землю через паразитные емкости; он определяется компоновкой, радиатором и расстоянием до земли, поэтому его сложнее всего предсказать и устранить. Два измерительных выхода искусственной сети питания измеряют напряжение каждого из двух проводов относительно земли, и приемник видит смесь обоих режимов.
Существует три метода различения, которые могут взаимно подтверждать друг друга. Первый — по частоте: в низкочастотном диапазоне преобладает дифференциальный режим, выше нескольких мегагерц — общий режим. Второй — сравнение двух проводов: если амплитуда помех на фазном и нулевом проводах близка, это указывает на доминирование общего режима; если разница велика, это указывает на доминирование дифференциального режима. Строгий подход — выполнить математические операции с двумя измерительными выходами: общий режим равен половине их суммы, дифференциальный режим равен половине их разности, что позволяет непосредственно получить две разделенные кривые на приборе.
Третий метод — добавление компонентов для проверки. Между 
двумя проводами параллельно подключается конденсатор емкостью от 0,1 до 0,47 мкФ; если в низкочастотном диапазоне наблюдается снижение, это указывает на дифференциальный режим. Если к каждому проводу относительно земли добавить конденсатор или последовательно включить дроссель общего режима, и в высокочастотном диапазоне наблюдается снижение, это указывает на общий режим. Этот метод самый быстрый, но необходимо соблюдать меры безопасности и ограничения по току утечки: конденсатор, подключенный между проводами, должен соответствовать требованиям электробезопасности, а конденсатор относительно земли ограничен током утечки и не может быть увеличен бесконечно.
4. Линия пределов и детекторы: квазипиковое и среднее значения — это не одно и то же
Таблицы пределов приводятся в зависимости от класса оборудования и диапазона частот. Например, для мультимедийного оборудования: для класса 1 в диапазоне от 0,15 до 0,5 МГц предел квазипикового значения составляет 79 дБмкВ, а среднего — 66 дБмкВ; для класса 2 в том же диапазоне квазипиковое значение логарифмически снижается с 66 дБмкВ до 56 дБмкВ, а среднее — с 56 до 46 дБмкВ. В диапазоне от 0,5 до 5 МГц для класса 2 значения составляют 56 и 46 дБмкВ, а в диапазоне от 5 до 30 МГц — 60 и 50 дБмкВ. Эти значения являются критериями оценки, а не целями проектирования.
Разница между квазипиковым и средним детектированием заключается в способе взвешивания. Квазипиковое детектирование взвешивает по частоте повторения: помехи с высокой частотой повторения получают больший вес, что соответствует субъективному восприятию человеком помех в радиоприемниках; среднее детектирование берет только среднее значение огибающей. Показания одной и той же кривой с двумя разными детекторами могут отличаться на десятки децибел, поэтому необходимо определить, какой именно параметр превышает предел. На практике большинство превышений затрагивают оба параметра одновременно, и цели устранения обычно определяются по квазипиковому значению.
Также необходимо различать назначение пикового, квазипикового и среднего значений. Пиковое сканирование самое быстрое и подходит для быстрого локализации проблем на этапе предварительной совместимости; квазипиковое значение является основой для официального решения, но сканирование занимает больше времени; среднее значение более чувствительно к непрерывным помехам. На этапе предварительной совместимости обычным подходом, сочетающим эффективность и надежность, является сначала выполнить пиковое сканирование для выявления подозрительных частот, а затем провести повторное тестирование с фокусом на квазипиковом значении. Использование пиковых результатов в качестве основы для выводов является одной из самых серьезных и распространенных ошибок.
5. Обратный расчет параметров фильтра из превышения: количественная цепочка
Суть устранения нарушений заключается в пересчете превышения в требуемое затухание (insertion loss). Метод прямой: сначала с помощью сети измеряется спектр помех испытуемого оборудования без фильтра, на частотах превышения вычитается значение предела из измеренного значения; эта разница и есть требуемое дополнительное затухание на данной частоте. Если, например, у импульсного блока питания на частоте переключения 300 кГц и квазипиковое, и среднее значения составляют 84 дБмкВ, а предел — 50 дБмкВ, то на этой частоте необходимо добавить как минимум 34 дБ затухания.
Следующий шаг — распределение этого затухания между путями общего и дифференциального режима. Если разделенные измерения показывают доминирование общего режима, то основная роль отводится дросселю общего режима и конденсаторам относительно земли, а для дифференциальной части достаточно небольшого количества межпроводных конденсаторов и дросселя дифференциального режима. Соотношение распределения не определяется произвольно, а определяется величиной превышения на каждой из двух разделенных кривых. Именно поэтому разделение общего и дифференциального режимов не является опциональным: без разделения приходится слепо увеличивать размер фильтра, что приводит к потере контроля над стоимостью и габаритами.
Фактическая эффективность фильтра также зависит от импеданса источника и нагрузки, и это место, где показатель затухания наиболее подвержен искажениям. Затухание, указанное в стандарте, обычно измеряется при условиях 50 Ом на 50 Ом, тогда как в реальной цепи импедансы на стороне питания и стороне испытуемого оборудования далеко не 50 Ом, и фактическое затухание может сильно отличаться от номинального. Поэтому при проектировании необходимо закладывать запас более 6 дБ и проводить повторные измерения в сборе, а не полагаться только на кривые из образцов фильтра.
6. Ключевые моменты настройки предварительной совместимости и четыре типичные ошибки
Цель предварительных испытаний на совместимость — заранее выявить места, где официальные тесты могут провалиться, поэтому настройка должна максимально воспроизводить стандартные условия. Относительное положение испытуемого оборудования и искусственной сети питания, размеры опорной заземляющей плоскости, а также расстояние между оборудованием и заземляющей плоскостью определяются приложениями к стандарту на продукт; эти расстояния следует брать из соответствующего стандарта, а не из общих списков. Заземляющий зажим самой сети должен быть подключен к опорной плоскости широким и коротким проводником, что особенно важно в высокочастотном диапазоне.
В настройке измерений есть еще три момента. Во-первых, вертикальное разрешение должно быть оптимизировано так, чтобы не было переполнения: если размах помех составляет 85 мВ, вертикальный диапазон должен быть установлен на 100 мВ для достижения максимальной чувствительности. Во-вторых, с помощью быстрого преобразования Фурье данные из временной области переводятся в частотную, ось Y желательно использовать в дБмкВ. В-третьих, режим с максимальными помехами обычно соответствует полной нагрузке, поэтому тестирование должно покрывать наихудшую нагрузку, а не только холостой ход.
Четыре типичные ошибки заслуживают отдельного перечисления. Первая — использование пикового значения в качестве основы для оценки. Вторая — игнорирование номинального тока искусственной сети питания: после превышения пускового тока измерение полностью недействительно, но об этом можно не знать. Третья — чрезмерное увеличение межпроводных и заземляющих конденсаторов, что приводит к превышению тока утечки и появлению новых проблем с электробезопасностью; это типичный случай, когда решение одной проблемы создает другую. Четвертая — вынесение заключения после одного измерения: помехи меняются в зависимости от режима работы, температуры и старения, поэтому после устранения необходимо повторно протестировать все режимы и зафиксировать параметры фильтра в спецификации материалов до замораживания дизайна.
Пояснения к рисункам
Рис. 1 | Сравнение двух путей помех: дифференциального и общего режима. Рис. 2 | Типичные значения пределов проводимых помех на порту питания для оборудования класса 2. Рис. 3 | Связь между спектром проводимых помех до и после устранения и линией пределов. Рис. 4 | Блок-схема устранения нарушений от величины превышения до параметров фильтра. Рис. 5 | Пять операционных правил тестирования проводимых помех