電子電氣設(shè)備電源端騷擾電壓檢測(cè)的內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控分析

黃 華 張 嫻 楊子又 黃 浩 周 俊 橐曉宇 劉 成

（上海海關(guān) 上海 200135）

1 前言

電源端騷擾電壓是電子電氣設(shè)備通過(guò)電源線(xiàn)向公共電網(wǎng)傳輸?shù)碾姶膨}擾值，適用于所有由公共電網(wǎng)供電的設(shè)備，它是表征電子電氣設(shè)備在公共環(huán)境中安全工作的重要參數(shù)。國(guó)內(nèi)外電子電氣產(chǎn)品的EMC 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)其有強(qiáng)制性的要求，因而電源端騷擾電壓檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與否，是否位于測(cè)試結(jié)果的置信概率的范圍，將直接影響產(chǎn)品的認(rèn)證結(jié)果。本文依據(jù)CNAS-TRL-008：2018《電氣檢測(cè)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控方法和實(shí)例》[1]的導(dǎo)則的要求，對(duì)騷擾電壓的檢測(cè)進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控，并量化為能力統(tǒng)計(jì)量En值來(lái)表征騷擾電壓檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)控的結(jié)果。當(dāng)|En|≤1，則結(jié)果是滿(mǎn)意的，或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果符合聲明的測(cè)量不確定度；當(dāng)|En|＞1，則結(jié)果不滿(mǎn)意，或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)不符合聲明的測(cè)量不確定度。

2 電源端騷擾電壓檢測(cè)

2.1 測(cè)試原理及設(shè)備

根據(jù)cispr 16-2-1 的規(guī)定，電子、電氣設(shè)備的電源端騷擾電壓測(cè)試，需在標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)地（屏蔽室）中進(jìn)行。

主要使用的設(shè)備、設(shè)施包括屏蔽室、人工電源網(wǎng)絡(luò)（AMN）、電源及接收機(jī)均需由國(guó)家認(rèn)可計(jì)量資質(zhì)的部門(mén)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，并確認(rèn)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，AMN 的分壓系數(shù)值和測(cè)試連接電纜的損耗值還應(yīng)補(bǔ)償在測(cè)試結(jié)果中。屏蔽室、接收機(jī)和AMN 的要求詳見(jiàn)表1。

表1 電源端騷擾電壓測(cè)試設(shè)備

（續(xù)表1）

2.2 騷擾電壓質(zhì)控檢測(cè)樣品

為了保證樣品的均勻性和穩(wěn)定性，本次騷擾電壓檢測(cè)樣品選用標(biāo)準(zhǔn)的梳妝信號(hào)發(fā)生器CGC-255，頻率范圍為:50 kHz～30 MHz，信號(hào)發(fā)生器的幅度穩(wěn)定度為:0.1 dB，步進(jìn)頻率:50 kHz。詳見(jiàn)圖1。

圖1 梳狀信號(hào)發(fā)生器CGC-255

2.3 EMI接收機(jī)有效性核查

接收機(jī)的核查通過(guò)比較接收機(jī)的接收信號(hào)與信號(hào)源發(fā)出信號(hào)的差值來(lái)進(jìn)行。

本次檢測(cè)采用型號(hào)為ESR 7 的EMI 接收機(jī)，信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為SML03，核查測(cè)試布局詳見(jiàn)圖2。

圖2 接收機(jī)幅度和頻率響應(yīng)核查布局

用信號(hào)發(fā)生器作為樣品EUT 測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意AMN 與公共電源端處于斷開(kāi)狀態(tài)，以免燒壞CGC-255。

連接電纜采用騷擾電壓測(cè)試電纜CL1，這樣也同時(shí)核查了CL1 的狀態(tài)。

通過(guò)測(cè)試電纜接收此信號(hào)，同時(shí)記錄接收信號(hào)的頻率和幅值，接收信號(hào)幅值詳見(jiàn)圖3。

由圖3可知，接收機(jī)的輸入和輸出響應(yīng)正常，接收信號(hào)幅值與信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的差為-0.49～+0.41 dB，偏差是可以接受的。接收信號(hào)頻率與信號(hào)源發(fā)出的頻率基本相同，無(wú)太大偏差，即在騷擾電壓的測(cè)試頻率（0.15～30 MHz）內(nèi)，接收機(jī)和測(cè)試電纜工作狀態(tài)正常。

2.4 騷擾電壓質(zhì)量監(jiān)控實(shí)測(cè)

AMN 的表征參數(shù)阻抗和相角須用矢量或標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，絕大部分的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室并不具備，本文建議用比對(duì)的方法來(lái)確認(rèn)AMN 的有效性。

在AMN 計(jì)量后，用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器作為EUT，測(cè)試其電源線(xiàn)L 和N 騷擾電壓數(shù)據(jù)作為參考值，之后AMN 核查和質(zhì)量監(jiān)控均以此值作為基準(zhǔn)參考。同步記錄測(cè)試設(shè)備布局，在進(jìn)行設(shè)備核查時(shí)，嚴(yán)格采用相同的測(cè)試設(shè)備和布局進(jìn)行測(cè)試。

本文騷擾電壓測(cè)試基準(zhǔn)及質(zhì)量監(jiān)控測(cè)試均采用的型號(hào) ESH2-Z5 的 AMN，EUT 采用 CGC-255，騷擾電壓實(shí)測(cè)布局詳見(jiàn)圖4，為了反映不同測(cè)試工程師測(cè)試帶來(lái)的誤差，兩次實(shí)驗(yàn)由兩位工程師分別完成。

圖3 EMI 接收機(jī)幅度核查結(jié)果

圖4 騷擾電壓實(shí)測(cè)布局

通過(guò)測(cè)得L 線(xiàn)、N 線(xiàn)騷擾電壓的頻率響應(yīng)與參考值進(jìn)行比較，可獲知AMN 的狀態(tài)，并獲得本次內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控測(cè)試的結(jié)果，本次騷擾電壓L 線(xiàn)的測(cè)試值與參考基準(zhǔn)值的比較結(jié)果詳見(jiàn)圖5。

由圖5可知，本次核查測(cè)得L 線(xiàn)騷擾電壓值與基準(zhǔn)值的誤差在±0.5 dB 的范圍內(nèi)。

圖5 騷擾電壓質(zhì)控核查值與參考值比較

3 騷擾電壓測(cè)試不確定度分析

3.1 騷擾電壓不確定度的主要影響量

造成騷擾電壓測(cè)試不確定度的主要影響量可表示如下式（1）:

其中，Vr—接收機(jī)的讀數(shù)誤差；Lc—人工電源網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)間連接網(wǎng)絡(luò)的衰減；Lamn—人工電源網(wǎng)絡(luò)電壓分壓系數(shù)；δVsw—接收機(jī)正弦波電壓精確度；δVpa—接收機(jī)脈沖幅度響應(yīng)；δVpr—接收機(jī)脈沖響應(yīng)隨重復(fù)頻率的變化；δVnf—接收機(jī)本底噪聲；δM—人工電源網(wǎng)絡(luò)的接收機(jī)端口與接收機(jī)之間的失配；δZ—人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗。

3.2 各個(gè)影響量帶來(lái)的不確定度

3.2.1 接收機(jī)的讀數(shù)誤差Vr

接收機(jī)的讀數(shù)誤差，是由隨機(jī)效應(yīng)引起，通常以獨(dú)立觀測(cè)列的算術(shù)平均值為測(cè)量結(jié)果，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(Vr)為:

5 MHz 時(shí)，將信號(hào)源電平設(shè)為-30 dBμV，接收機(jī)5 次測(cè)量，可得測(cè)量值及讀數(shù)不確定度評(píng)定為頻段 u(Vr)=±0.36 dB。

3.2.2 人工電源網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)間連接網(wǎng)絡(luò)的衰減Lc

本測(cè)試系統(tǒng)人工電源網(wǎng)絡(luò)和接收機(jī)間連接網(wǎng)絡(luò)為電纜，其不確定度由校正報(bào)告給出，Lc=±0.1 dB。

3.2.3 人工電源網(wǎng)絡(luò)電壓分壓系數(shù)Lamn

其不確定度由計(jì)量校正報(bào)告給出，為L(zhǎng)amn=±0.2dB，k 值為 2。

3.2.4 接收機(jī)正弦波電壓精確度δVsw、脈沖幅度響應(yīng)δVpa、脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)δVpr

其不確定度由接收機(jī)的計(jì)量校正報(bào)告給出，分別為:正弦波電壓不確定度為 δVsw=±1.0 dB，k 值為2；脈沖幅度響應(yīng)的不確定度為 δVpa=±1.2 dB，k 值為接收機(jī)脈沖響應(yīng)隨重復(fù)頻率的變化的不確定度為

3.2.5 接收機(jī)的本底噪聲δVnf

由于接收機(jī)的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于騷擾電壓的允許極限值，噪聲本底對(duì)接近極限值的測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

3.2.6 人工電源網(wǎng)絡(luò)的接收機(jī)端口與接收機(jī)之間的失配δM

3.2.7 人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗δZ

人工電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗不理想引入的不確定度可由人工電源網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量報(bào)告給出，150 kHz～30 MHz為 δZ=+1.86/-1.28 dB。

3.3 電源端騷擾電壓的不確定度

上述的這些不確定影響量均不相關(guān)，因而相關(guān)系數(shù)ci=1，測(cè)量時(shí)各個(gè)不確定度影響因素詳見(jiàn)表2。

表2 150 kHz～30 MHz 騷擾電壓的不確定度

由公式（1）及表2計(jì)算出電源端騷擾電壓測(cè)試的合成不確定為1.5 dB 和擴(kuò)展不確定度U=3.0 dB，置信概率為95%。

4 騷擾電壓檢測(cè)的能力統(tǒng)計(jì)量En

本文在測(cè)試方法和測(cè)試儀器設(shè)備相同的情況下，以梳狀信號(hào)發(fā)生器為標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)設(shè)備及人工電源網(wǎng)絡(luò)計(jì)量后首次測(cè)得的電源端騷擾電壓值為參考值，通過(guò)交換操作者的方式估計(jì)不同工程師測(cè)試操作引起的系統(tǒng)誤差，真實(shí)反映了實(shí)際測(cè)試工作的情況。

根據(jù)CNAS 導(dǎo)則，檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量用能力統(tǒng)計(jì)量En值來(lái)表征，如下式（4）所示:

其中，v—本次騷擾電壓測(cè)量結(jié)果；V—騷擾電壓參考值；U1—本次騷擾電壓測(cè)量擴(kuò)展不確定度；Uref—騷擾電壓測(cè)量參考擴(kuò)展不確定度，置信概率95%。

由于測(cè)量同一EUT，兩次測(cè)量的不確定度基本相同，即:U1=Uref=U=3.0 dB。選取兩次測(cè)試相同頻率點(diǎn)，騷擾電壓檢測(cè)結(jié)果差距最大數(shù)據(jù)用以估算能力統(tǒng)計(jì)量 En，由式（5）知:

根據(jù)En的性能判據(jù)，若|En|≤1，則結(jié)果滿(mǎn)意，或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果符合所聲明的測(cè)量不確定度；若|En|＞1，則結(jié)果不滿(mǎn)意，或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果不符合所聲明的測(cè)量不確定度。測(cè)試結(jié)果符合置信概率為95%，即本次核查騷擾電壓檢測(cè)結(jié)果是滿(mǎn)意的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在以梳狀信號(hào)發(fā)生器為標(biāo)準(zhǔn)的EUT 及人工電源網(wǎng)絡(luò)計(jì)量后首次測(cè)得的騷擾電壓值為參考值，在考慮騷擾電壓測(cè)試不確定度影響的基礎(chǔ)上，分析了表征騷擾電壓檢測(cè)質(zhì)量的能力統(tǒng)計(jì)量En，以證實(shí)實(shí)驗(yàn)室騷擾測(cè)試結(jié)果的滿(mǎn)意度位于置信區(qū)間，達(dá)到了質(zhì)量監(jiān)控的目的。