芯耀
与非AI
155
家用电器和电动工具产品在参考CISPR14标准进行EMC监管认证时，高频电场发射有骚扰功率与辐射发射两种方法可选。骚扰功率测试通过线缆共模发射功率来评估电场发射强度，在半电波暗室辐射发射测试方法大规模应用之前是家电行业广泛应用的评估方法。即使现在，大部分家电企业基于实验室建设成本、测试难度和便利性的考虑，也会选择骚扰功率测试作为认证测试方法。与辐射发射测试相比，骚扰功率测试通过的难度要低一些，但依然是产品研发过程中的难点，也会面临EMC测试资源不足、成本不可控、开发延期风险等问题，因此我们同样需要针对骚扰功率的研发设计方法进行研究和优化。
本文介绍骚扰功率测试的基本原理，以骚扰功率吸收钳的耦合系数为基准，对电流探头配合去耦装置进行系数拟合，找到多种电流探头进行任意场地骚扰功率预测试的替代方法，并对方法的工程应用操作进行了简要说明，供家电类产品的研发工程师参考。
1.骚扰功率测试的基本原理与方法
1.1.骚扰功率测试的法规要求
大部分国家和地区的家电产品的EMC认证等同采用了国际标准IEC CISPR14-1，该标准给出了家电和电动工具产品的发射类测试要求，包括传导、骚扰功率、谐波闪烁、喀呖声等测试，骚扰功率限值和骚扰功率与辐射测试的选择方法在该标准中给出。
值得注意的是FCC认证的基础标准C63.4/5并未引入骚扰功率的测试方法，因此北美EMC认证和参考北美认证的国家地区无法使用骚扰功率替代辐射发射的认证方法。
表一 骚扰功率限值表
标准的通用限值是家用电器产品的认证限值，而电动工具随着功率上升有4dB（700-1000W）和10dB（1000W以上）的放宽。
CISPR14属于认证测试参考的产品类标准，而对骚扰功率测试进行规范的基础标准是CISPR16-2-2。该基础标准详细说明该项测试的基本原则、基本原理，定义了测试方法并给出了细节性的指导说明，比如测试场地、布置要求、背景要求、线缆连接方式、测试程序等，但标准并不定义限值也不涉及功率吸收钳这些测试设备的具体规定。
图一 骚扰功率测试的基本原理图
标准给出的基本原理是利用骚扰功率吸收钳通过测量EUT线缆上输出的射频功率Peut：通过转换系数CFact将接收机测到电压Vrec换算为功率值Prec。原理本身不涉及测试细节，而实际测试中测试线缆的阻抗对结果的影响是非常大的，因此标准还给出了指导实际测试的参考示意图。如下是落地式设备和桌上型设备的测试布置图。
图二 骚扰功率标准布置示意图——落地式设备
图三 骚扰功率标准布置示意图——桌上型设备
示意图中就详细定义了骚扰功率线缆的长度、高度、EUT和电源端接方式、衰减器位置、去耦钳的添加和位置、同轴线走线方式等。需要注意图中没有绘制屏蔽室，而实际骚扰功率测试需要屏蔽室对外界电磁环境噪声进行屏蔽。在建设屏蔽室的条件下，骚扰功率测试能力建设成本也远远低于半电波暗室。
1.2.功率吸收钳的基本原理
CISPR16-1-3是描述骚扰功率测试的关键设备功率吸收钳（absorbing clamp）的基础标准，详细定义了骚扰功率测试的关键设备功率吸收钳的技术原理、校准方法等。
图四 功率吸收钳实物图与原理示意图
从标准给出的功率吸收钳的示意图上可以看到几个关键部分：端口的3个磁芯作为电流耦合器件，将线缆上的射频共模电流信号耦合匹配之后送入到接收机；信号传输同轴线缆上共模抑制的铁氧体吸收器件用于抑制电场信号和同轴线缆外层共模信号；6dB衰减器起到了源端进行阻抗匹配和接收机保护作用；铁氧体吸收磁芯将线缆阻抗稳定同时对网电源端口的干扰也有一定抑制作用。骚扰功率吸收钳的原理和结构并不复杂，在使用相同型号和标准化测试场地的情况下测试结果的一致性很好。
由于测试场地的影响很大，标准给出了三种校准方法如下。
图五 利用大面积垂直参考面耦合板的校准方法原理图
图六 利用大面积垂直参考面耦合板的校准方法示意图
对于测试台与屏蔽室的金属板靠得比较近的情况，使用该方法进行校准能够将场地的影响整合到校准系数当中。
图七 利用参考装置进行校准方法原理图
图八 利用参考装置进行校准方法示意图
当测试台周边无大片金属参考面的情况，如在电波暗室中进行骚扰功率测试时可以采取如上图的校准方法利用参考装置进行校准。
图九 利用校准夹具进行校准方法示意图
利用夹具进行功率吸收钳的校准也是采用网络分析仪S21插损方法，RF Out口输出参考信号经过同轴夹具将信号芯线穿过功率吸收钳和去耦钳到达夹具另一端的匹配50欧终端电阻，功率吸收钳耦合到信号并通过输出口将耦合到的信号返回到网络分析仪，差值即为骚扰功率测试系统的插入损耗。这种方式直接对吸收钳进行系数校准，受环境的影响最小。
1.3.对数电压与对数功率的换算
骚扰功率吸收钳输出的信号和接收机读出的值都是射频电压值，而骚扰功率需要得到的是功率值，因此需要在50Ω系统下对电压值进行功率值的系数换算，这是骚扰功率区别于传导测试和其他测试的一个重点。我们来对两者的关系进行简单的分析。
在对数功率计算时，我们得到0dBmW=1mW，同时：
1mW=103mW
1mW=103 nW
1nW=103 pW
因此对数功率下：0dBmW=30dBmW=60dBnW=90dBpW。
我们再来计算1mW的功率在50欧姆内阻的RF电路中对应的电压以及对数电压值：
由于U2 =P*R，将50欧姆和1mW代入得到：U2 =P*R=1mW*50=0.050WΩ
开方计算出对应电压U=0.2236V，换算为对数电压值为107dBmV。
所以1mW的功率在50欧系统下对应107dBμV的电压和90dBpW的功率，因此对数功率dBμV值减去17就能得到对应的dBpW的功率值，17dB是进行两者换算的系数。这个系数在骚扰功率的耦合系数计算过程中需要用到。
2.对功率吸收钳的系数实测
2.1.插损和耦合能力
我们参考夹具校准法对骚扰功率吸收钳的耦合系数进行单独的研究，通过比对的方式评估去耦能力、耦合能力、频带范围等参数特征，帮助我们后续实现电流探头拟合研究做参考。
我们利用夹具和带跟踪源的频谱仪单独对功率吸收钳进行插损系数测量。吸收钳夹具中心连接的芯线上，测量端靠近跟踪源输出，夹具的另外一端连接50欧姆同轴匹配电阻，吸收钳输出信号端接入到频谱仪射频端口。测试时，跟踪源信号经过芯线对吸收钳进行耦合并到达终端匹配电阻，吸收钳耦合到跟踪源信号并由频谱仪得出插损值，这个值可以换算出吸收钳的耦合系数。
图十一 吸收钳150kHz-300MHz频段的插损测试结果
从图十一可以看出吸收钳在传导频段150kHz-30MHz的频率响应并不平滑，且衰减很大，因此不适用于传导诊断分析。
图十二 吸收钳10-300MHz频段的插损测试结果
上图的蓝色曲线是骚扰功率吸收钳的插损测试结果。这个插损值是个负数值，代表的是测量结果对电压值需要补偿的数值，由于对功率dBpW的换算需要减小17dB，耦合系数相当于需要减少17dB的补偿，因此最终的耦合系数是一个有正负的补偿值。
2.2.吸收钳的去耦能力
吸收钳稳定了线缆的阻抗，但同时也降低了前端电流采样的耦合能力因此对耦合系数有很大影响。我们对骚扰功率吸收钳、骚扰功率去耦钳、传导抗扰度去耦钳进行对比分析了解他们去耦能力的差异，这对于我们拟合研究有很好的帮助。
图十六 150kHz-300MHz三种带有去耦功能设备的去耦能力比较
从图十六的比对可以看出骚扰功率测试使用功率吸收钳和去耦钳都采用了相同材质的镍锌磁芯，得到的插损曲线频率响应一致，只是磁芯的数量不同导致幅值有一定差异；传导抗扰度去耦钳使用了部分锰锌磁芯，在传导频段有明显的去耦抑制效果。因此我们在设计去耦的时候可以寻找类似的磁性材料。
3.电流探头用于骚扰功率预测试的基本原理与方法
骚扰功率研发过程中遇到的难题可以归类为测试资源不足问题与分析不精确两大类。利用电流探头进行骚扰功率的预测试能够解决测试资源问题并且对线缆的发射进行精确测量和定位，是解决骚扰功率问题的有效手段。
从原理上看，骚扰功率吸收钳就是共模电流采样与去耦装置的组合，因此可以利用电流探头和去耦装置配合来实现相同的测试效果。电流探头是诊断分析中常见的重要工具，相比吸收钳在成本和便利性、便携性上有优势，因此能够使用电流探头拟合吸收钳进行测试能够极大提升测试和诊断分析效率。
3.1.电流钳对骚扰功率吸收钳的系数拟合
电流钳来替代功率吸收钳进行相关测试和分析，是在原有测试方法的基础上进行新的工具拓展，因此电流钳的测试效果需要达到与功率吸收钳相同或接近。这里我们利用骚扰功率吸收钳的耦合系数作为基准，对电流探头的系数进行直接调试拟合，当拟合曲线相同时即可认为能够达到相同的测试能力。
我们首先基准化吸收钳耦合曲线，然后在同一测试夹具内用电流钳替换功率吸收钳并且增加磁环、夹扣、去耦钳等去耦装置，通过调整合适的去耦布置方法来完成对曲线的观测拟合。
图十八 大电流探头搭配去耦钳的拟合结果
大电流探头搭配骚扰功率去耦钳的拟合效果很好，在30MHz之后仅有微小的差异，同时可以看到低频下电流探头的敏感度要明显高于吸收钳。这个拟合结果说明电流探头配合骚扰功率去耦钳的条件下可以用作骚扰功率预测试。功率吸收钳和传导抗扰度去耦钳也能实现相同效果。
第二类拟合方式是利用较大的镍锌夹扣磁环作为去耦。这种拟合功率吸收钳的布置方式要注意大电流钳和两个黑色夹扣应放最前面，另外两个放在隔开40-50cm用于对线缆上的驻波谐振点进行抑制。
图二十 大电流探头配合大型夹扣磁环的拟合结果
这个方法在30-300MHz拟合效果也很好，由于夹扣磁环也是非常容易装卸，体积和重量都适合加在线缆上，是任意场地条件下非常方便的骚扰功率预测试方法。
非晶磁芯由于优秀的频带特性也可以引入作为第三类拟合方式的去耦方法。非晶磁环在绕一圈的条件下能获得足够强的去耦能力，但必须要配合隔开50-60cm的两个镍锌大夹扣磁环来提供更稳定的去耦特性。
我们更常用的小电流探头也能够通过拟合的方式得到第四类拟合骚扰功率吸收钳的应用方法。
使用小电流探头替换大电流探头放最前面，而去耦部分设置与大电流探头的布置相同，能够得到新的拟合结果。
图二十四 小电流钳配合黑色夹扣的测试结果图
二十四的比对曲线可以看出小电流探头拟合的曲线系数在30-300MHz整体包络走势与吸收钳一致，但整体插损曲线低6dB，说明小电流探头测试到的信号会偏小6dB，补偿系数相比吸收钳的系数会大6dB。因此小电流探头也能对吸收钳进行拟合，只是需要注意幅值偏小6dB。
3.2.拟合方法小结
拟合搭配研究的过程中我们总结出如下的规律用于指导实际诊断分析应用：
1.利用电流探头可以进行骚扰功率吸收钳的特性模拟,大电流探头能完全拟合，小电流探头拟合后信号小6dB；
2.电流探头需要配合去耦装置才能实现拟合效果。去耦装置可以选择多个镍锌夹扣、镍锌夹扣与非晶磁环组合，也可以配合功率吸收钳和去耦钳；
3.在标准骚扰功率场地，当被测线缆上夹有功率吸收钳时，使用电流探头在端口测量可以得到骚扰功率包络（相当于吸收钳作为去耦装置）；
4.在标准骚扰功率场地，当被测线缆上夹有去耦钳时，使用电流探头在端口测量可以得到骚扰功率包络（相当于去耦钳作为去耦装置）；
5.在任意场地，当使用电流探头测试线缆骚扰功率时需要按照特定方法增加去耦用的镍锌夹扣或非晶磁环，可以得到骚扰功率包络；
6.去耦装置所用的磁芯材料的组合和布置位置是对拟合曲线影响最大的变量，实际应用中需要保证严格按照拟合结果进行布置；
7.当电流探头配合去耦装置能够拟合骚扰功率吸收钳的耦合系数，则可以使用吸收钳系数进行骚扰功率测试；
8.电流探头还能够进行传导频段测试，功率吸收钳在该频段敏感度不足。
3.3.电流钳进行传导、骚扰功率一次性测试的方法
考虑传导测试也是家电产品非常重要的发射测试要求，而电流探头存在同时对传导和骚扰功率进行一次性测试的潜力，因此对骚扰功率布置下的电流探头传导测试能力也进行简单的比较。
图二十七 三者传导频段耦合系数的比较
从图二十七可以看出吸收钳的传导频段损耗太大，无法进行测试（因为限值约60dB，衰减已达40dB，信号幅值过小）；两个电流探头在传导频段有平坦的响应和足够的灵敏度，都可以用于传导测试，但要注意此时不需要进行去耦。因此可以在场地上利用电流探头同时进行传导共模测试和骚扰功率测试，只需要在进行骚扰功率预测试的时候增加相应的去耦磁环、夹扣或去耦钳。
电流探头相较于骚扰功率吸收钳体积更小，更方便对线缆进行分析测试，尤其在诊断分析问题的条件下对于分辨线缆的发射有很好的作用。利用这个方法可以在任意场地快速进行传导和骚扰功率的测试和分析，能够大幅提升测试和诊断分析效率。
4.骚扰功率问题诊断分析方法
我们研究电流探头用于骚扰功率预测试和诊断分析的目的就是为了帮助解决骚扰功率问题。而骚扰功率的问题可以分成标准实验室快速诊断分析和任意场地详细分析两种场景。在这两种条件下所应用的侧重点、方法和分析流程有所不同。但首先都需要对骚扰功率的限值、吸收钳的系数进行理解和换算。
4.1.骚扰功率诊断分析的系数限值换算
在标准实验室进行问题诊断分析时需要控制工时，因此需要通过对骚扰功率测试限值和系数进行简化来提升频谱观测效率:
图二十八 骚扰功率吸收钳的系数换算
图二十八是吸收钳和电流探头的插损曲线拟合结果图。图上插损范围在-13~-25dB之间，考虑17dB的换算值之后，真实对数功率值要在电压读值数值上30-100MHz依次补偿8~-2dB（30MHz补偿8dB，100MHz补偿-2dB）这样才能够由接收机上得到的对数电压值换算得到真实dBpW的功率测试结果。补偿系数在30-100MHz是斜向上的，而限值线QP45/ AV35dBpW也是斜向上10dB，正好与补偿系数的斜率接近，因此可以将系数和限值同时进行差值抵消，将限值和系数斜率补偿为零，最后补偿系数固定为8dB而限值固定为水平的45dBpW（不再需要考虑限值和系数的斜率）。
8dB的补偿系数是由于吸收钳在30MHz多衰减了8dB，我们可以直接把限值线下移8dB到37dB直接抵消掉这个补偿从而将功率吸收钳的系数归零。可以用频谱仪上的37dBμV电压测试水平线作为30-100MHz的限值线。
至此这个37dBμV的电压限值线已经考虑了对数功率的限值和斜率，吸收钳的耦合系数和斜率、不同频率的补偿差值、dBμV到dBpW的换算，无需再进行任何换算，直接跳过了控制软件进行的系数补偿和限值判断，在实验室现场可以用频谱仪对测试结果进行直接判断，是非常方便快捷的应用方法。通过37dBμV线也可以进行裕量控制，可以以更低的限值线来补偿非标准测试方法带来的不确定度上升。但要注意的是37dBμV的限值是针对家电产品骚扰功率在30-100MHz这一主要问题频段的，其他情况可用按相应校准曲线进行计算和转换。
4.2.骚扰功率实验室场地的诊断分析方法
在骚扰功率标准实验室场地进行问题的诊断分析时，可以将标准功率吸收钳信号直接接入到频谱分析仪，利用37dBμV@100kHz BW的设置进行快速测试和判断。这种条件下可以观测到系统实时工况对测试结果的影响，也可以通过磁环夹扣、关闭功能、接地调制、线缆位置变更、结构按压等等方式观察频谱的变换，从而分析出问题来源的工况条件。大部分简单问题通过实时观测频谱能够分析出问题原因，少部分问题需要用电流探头进行线缆探测。
当较大型的家电设备在实验室场地进行快速分析的时候可能由于线缆复杂而无法区分耦合路径，此时可以利用电流探头的探测能力将线缆上的频谱观测出来，此时需要用到电流探头配合磁环夹扣进行诊断分析，通过找到关键的线缆来定位问题。
一般在实验室场地由于受资源限值，采用以上方法不能快速解决的情况下无法进行更进一步的子系统和单板级诊断分析和优化，就需要采用任意场地的诊断分析方法进行问题的进一步分析。
4.3.骚扰功率任意场地的诊断分析方法
使用电流探头配合去耦装置能够在任意的场地进行骚扰功率的预测试，复现到与标准实验室的测试结果，就可以在不依赖实验室资源的条件下进行深入的诊断分析。摆脱实验室的场地、测试时间、诊断工具缺乏、诊断设备无法接入、人力调配安排等限制之后能够为诊断分析带来更大的自由度，往往是解决复杂骚扰功率问题的必要条件。
在频谱实时分析、电流钳进行线缆分析的方法外，任意场地还可以进行系统的拆解分析、结构电磁泄漏分析、近场发射分析，通过配合更多的工具和设备以及投入更多的分析工时来达到问题的精确定位和改善。该方法已经在工程上成功应用并解决了多个常规诊断分析方法很难解决的问题，同时并不占用任何实验室资源，显示出了极佳的效率提升和成本节约作用。
5.小结
骚扰功率测试是家电和电动工具产品EMC认证的重要方法之一。本文系统介绍了功率吸收钳的基本原理、校准方法和耦合系数特性，重点阐述了利用电流探头配合去耦装置进行骚扰功率预测试的四种拟合布置方式，并介绍了电流探头传导与骚扰功率一次性测试的方法。
在骚扰功率问题诊断分析中，家电产品重点关注30~100 MHz频段。通过将限值线下移8 dB可以使用37 dBμV水平线作为简化限值线，该方法已综合考虑标准限值、吸收钳系数、频率补偿和单位换算，为研发过程中的快速测试和分析提供了实用指引。通过建立任意场地骚扰功率预测试能力和熟练运用各种工具进行诊断分析，我们能够高效完成骚扰功率问题分析和优化改善。
（本文完）
