軍用EMC 標準CS101 試驗方法的演變和改進探討

熊熠明，郭華棟，陳思陽

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

軍用EMC 標準中的電源線傳導敏感度試驗項目CS101，是所有軍用裝備必須通過的5 項測試項目之一。為了提高測試準確性，CS101 項目的測試方法和限值進行了持續(xù)的更新。為了解CS101 項目的演變過程，以下將詳細地闡述各個版本中CS101 項目的測試方法，并探討測試方法改進的原因，提出進一步完善測試方法的建議。

1 軍用EMC 標準CS101 項目演變

軍用EMC 標準常用的為MIL-STD-461462 系列和GJB 151152 系列。國軍標在借鑒美軍標的基礎上結合國內(nèi)的實際情況進行了剪裁和改進。標準最新版本為GJB 151B-2013、MIL-STD-461G。主要版本標準的制定變化情況如表1 所示[1-10]。

2 CS101 測試方法更新介紹

MIL-STD-46462 早期版本和GJB 151152中包括一個CS01 試驗方法。1993 年MIL-STD-461D462D中開始引入CS101 測試項目。1997 年國軍標更新為GJB 151A152A 版本，全面對標美軍標D 版本。CS101 測試項目的變化內(nèi)容如表1所示。

表1 軍用EMC 測試標準CS101 項目的變化

2015 年發(fā)布的MIL-STD-461G中，CS101 項目的變化主要包括以下兩個方面[8-11]：

1）最大工作電流不超過30 A，而MIL-STD-461F中工作電流為不超過100 A；

2）增加了一種新的注入電平監(jiān)測方法，可以用示波器進行時域測量，也可以用配備了紋波監(jiān)測探頭的接收機進行頻域測量，如圖1 所示。

圖1 MIL-STD-461G中CS101 項目測試配置框圖

2.1 限定被測設備工作電流分析

CS101 項目測試過程中，由于圖1 受試設備（EUT）的負載電流作用，耦合變壓器的初級端會耦合出感應電壓。負載電流很大時，變壓器初級端的感應電壓也很大。工頻感應電壓反灌回功放，導致功放不能正常工作甚至損壞。現(xiàn)行標準中提出在功放輸出端串聯(lián)一個相位相反的耦合變壓器（該變壓器次級輸出端并聯(lián)跟EUT 阻抗相近的假負載），新增變壓器初級端會產(chǎn)生大小相同、極性相反的感應電壓，從而實現(xiàn)在功放輸出端感應電壓的相互抵消，以保護音頻功放在大電流負載情況下的安全[3]。但是阻抗相近的假負載很難配備，委托方也很難提供兩臺同樣的EUT。參考文獻[12-16]中通過仿真分析等手段，提出了各種解決方案，但沒有通用的解決辦法。

大量的實際測試案例表明，大電流設備接入耦合變壓器后，由于變壓器內(nèi)阻上的壓降過大，EUT 會出現(xiàn)不能啟動等現(xiàn)象。美軍方從MIL-STD-461F 開始就限制了被測設備的工作電流，要求不超過100 A，MIL-STD-461G 直接限制到30 A。標準制定方已經(jīng)認識到，工作電流超過30 A 的設備，電源系統(tǒng)存在的紋波已經(jīng)高于CS101 測試的注入干擾量級，不需要再進行CS101測試（特殊設備除外）[9]。

限定設備工作電流進行測試有以下優(yōu)點：

1）客觀評價大電流設備的實際工作情況，委托方的測試費用下降、測試時間縮短；

2）大大地降低工頻感應電壓倒灌回功放的發(fā)生概率，有效地保護測試功放安全；

3）減少了實驗室設備投入，不需要研制特殊的低阻抗、大電流（大于50 A）耦合變壓器。

2.2 CS101 接收機測量方法分析

測試交流設備時，功放注入電壓監(jiān)測一直是個難題。示波器監(jiān)測方法受EUT 供電交流電壓的影響，注入的干擾小信號往往被交流電壓的紋波掩蓋而難以準確地測量。常用的解決方式是在電路中接入相應工作頻率的交流陷波器。部分實驗室采用示波器的FFT 測量模式，獲得注入頻點的電壓數(shù)據(jù)后，手動進行EUT 的CS101 項目試驗[12]。

參考文獻[8]中提出一種使用接收機進行交流CS101 項目試驗方法，如圖2 所示。其方法為用1 kΩ 無感采樣電阻分流，“6741-1”電流探頭將電流轉換成電壓，用接收機讀取注入頻率信號的電壓值，從而避免被測設備交流電源對測試示波器讀數(shù)的干擾。電流探頭和接收機結合的方式，可利用接收機的選頻特性和動態(tài)范圍大的優(yōu)點，精確地測量注入頻點對應的電壓值。

圖2 接收機電流探頭等效測量電壓方法

MIL-STD-461G 也是利用接收機的頻域測量設計思想，用紋波監(jiān)測探頭（Ripple Detector）替代圖2中的監(jiān)測裝置。紋波監(jiān)測探頭有兩路輸入，通過切換可分別監(jiān)測電源端和變壓器注入端的紋波情況[9]。紋波監(jiān)測探頭專為CS101 測試設計的傳導因子如圖3 所示，為了適應交流電壓大于28 V 量級限值1 要求，其最大衰減量級為80 dB。5 kHz開始，按照限值的變化趨勢，減少監(jiān)測探頭的衰減系數(shù)，保證接收機監(jiān)測端動態(tài)范圍相對穩(wěn)定。

圖3 紋波監(jiān)測探頭CS101 模式傳導因子

引入接收機和紋波監(jiān)測探頭組合測量方式，完美地解決了以往CS101 項目交流測試的功放注入電壓監(jiān)測難點，并且將測試儀器與EUT電壓安全隔離，測試過程更安全可靠。

2.3 CS101電壓限值的演變

CS101 項目關鍵頻點電壓、功率統(tǒng)計如表2 所示[3，7]。1999 年發(fā)布的MIL-STD-461E 將測試頻率擴展到150 kHz，功率校準值從MIL-STD-461D時期的全頻段80 W，改為與曲線1電壓限值匹配一致。目前GJB 151B-2013、MIL-STD-461G 也延續(xù)了MIL-STD-461E 的限值規(guī)定。

表2 CS101 關鍵頻點電壓限值、校準功率統(tǒng)計

3 未來國軍標CS101 項目改進探討

3.1 測試方法改進建議

針對目前CS101 項目存在的問題，提出了以下2 個方面的改進建議。

a）限定被測設備工作電流不超過30 A，工作電流超過30 A 的設備不需要進行CS101 項目測試；大電流特殊設備可以選做。

b）交流設備的CS101 項目測試，統(tǒng)一采用接收機加紋波監(jiān)測探頭方式；直流設備的CS101 測試可采用示波器直接測試或接收機加紋波監(jiān)測探頭的方法。

3.2 電壓和功率限值的調(diào)整

CS101 項目限值已多年未修訂，建議按照以下方法進行修改。

a）測試頻率設定為25 Hz～300 kHz，擴展注入干擾頻率范圍。隨著集成電源芯片設計的發(fā)展，DC/DC、AC/DC電源模塊為了減少體積、降低儲能元器件成本，采用的開關頻率已經(jīng)從幾十千赫，發(fā)展到幾百千赫以上，CS101 項目測試頻率應擴展到300 kHz，目前的專用音頻功放指標已能覆蓋這一頻段。

b）100～300 kHz 頻段的測試電壓限值變?yōu)橹本€段。曲線1 的電壓阻值最低為110 dBμV，曲線2 的電壓限值最低為100 dBμV，如圖4 所示。相應的校準功率，100～300 kHz 頻段為0.2 W。提高干擾量級，加強對EUT 的干擾強度。降低信號源和功放在100～300 kHz 頻段的小功率輸出要求。

圖4 CS101 項目25 Hz～300 kHz 建議限值

4 結束語

軍用裝備中CS101 測試項目的主要目的就是檢驗電源線傳導干擾的敏感性，電源線傳導干擾是影響軍用裝備電磁兼容性的常見干擾源，嚴重影響軍用裝備的使用效果，需要在電源輸入端口增加濾波模塊，保護功能電路不受到外界電磁干擾。結合多年CS101 項目測試的體會與思考，整理歸納了使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并就標準完善在測試方法、限值規(guī)定等方面提出建議，以使軍用裝備CS101 項目的測試更合理、更易操作。為適應行業(yè)技術發(fā)展，呼吁盡快更新國軍標CS101 的測試方法。