運行時間和機內溫度對電子產品EMI 試驗結果的影響

何觀寰 陳正茂 王 鑫 杜華杰

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

大量電磁兼容測試經驗表明，許多電子產品在電磁兼容發射測試（EMI）時，測試結果會隨產品運行時間的增加而變化。在同樣的試驗場地、設備、環境、輔助設備情況下，僅因產品運行時間的不同就導致了測試結果的差異。猜想可能是隨運行時間增加，產品機內溫度升高，使得電路中電子元器件的電磁特性發生變化，進而改變了產品的EMC 性能，最終導致測試結果產生變化。為了驗證這一猜想，本次進行了運行時間和機內溫度對EMI 測試結果影響的對比試驗。

1 試驗方案

本次試驗隨機挑選的5 款不同品牌、不同型號的電源適配器作為EMI 測試對象，樣品編號分別為1#～5#。測試項目選定為交流電源端口的傳導發射測試（下稱“傳導測試”）。

傳導測試依據GB/T 9254.1-2021《信息技術設備、多媒體設備和接收機電磁兼容第1 部分：發射要求》標準要求進行，電源適配器按B 級設備限值要求。

試驗在屏蔽室內進行，試驗環境為溫度25.3 ℃，濕度56 %RH。主要測試儀器有EMI 測量接收機、人工電源網絡、80 cm 絕緣桌子、熱成像儀、熱風機、水泥電阻負載等。一共設有兩組對比試驗：不同運行時間的測試、不同機內溫度的測試。試驗步驟如下：

1.1 不同運行時間的測試

1）將樣品的機殼拆下，以便于熱成像儀探測機內溫度變化情況；

2）依據GB/T 9254.1-2021 對樣品進行試驗布置，樣品端接相應規格水泥電阻，使其保持額定功率輸出狀態；

3）樣品上電工作后立即進行交流電源端口的傳導發射的測量，測量數據記錄為“工作0 min 傳導數據”（如圖1 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數據記錄為“工作0 min 溫度狀態”（如圖2 所示）；

圖1 樣品1#工作0 min 傳導數據

圖2 樣品1#工作0 min 溫度狀態

4）保持試驗布置、工作狀態等條件不變，樣品上電工作每10 min，進行一次交流電源端口的傳導發射的測量，測量數據記錄為“工作n min傳導數據”（如圖3所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數據記錄為“工作n min 溫度狀態”（如圖4 所示），直到上電工作30 min。

圖3 樣品1#工作30 min 傳導數據

圖4 樣品1#工作30 min 溫度狀態

1.2 不同機內溫度的測試

5）將樣品靜置冷卻，使其機內溫度到達與“工作0分鐘溫度狀態”相近的狀態后，進行交流電源端口的傳導發射的測量，測量數據記錄為“冷機傳導數據”（如圖5 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數據記錄為“冷機溫度狀態”（如圖6 所示）；

圖5 樣品1#冷機傳導數據（靜置冷卻后）

圖6 樣品1#冷機溫度狀態（靜置冷卻后)

6）樣品斷電，使用熱風槍對樣品進行加熱，使其機內溫度到達與“工作30 min 溫度狀態”相近的狀態后，然后上電工作，進行交流電源端口的傳導發射的測量，測量數據記錄為“熱機傳導數據”（如圖7 所示），并且使用熱成像儀測量此時樣品的溫度，溫度數據記錄為“熱機溫度狀態”（如圖8 所示）；

圖8 樣品1#熱機溫度狀態（熱風槍加熱后）

7）對樣品1#～5#均進行以上第1）到第6）步的操作，整理數據，進行對比分析。

2 試驗結果與結論

記錄并整理樣品1#～5#每次測量結果準峰值的最大發射幅值，如表1～5 所示。

表1 樣品1#傳導測試數據—準峰值

表2 樣品2#傳導測試數據—準峰值

表3 樣品3#傳導測試數據—準峰值

表4 樣品4#傳導測試數據—準峰值

表5 樣品5#傳導測試數據—準峰值

通過數據對比與分析，可以得出以下試驗結論：

1）通過數據表可以發現5 個樣品中，有4個樣品的傳導測試結果隨運行時間、機內溫度有明顯變化（相差2 dB 以上），且“工作0 min”與“冷機”、“工作30 min”與“熱機”的數據均比較接近（相差小于2 dB）。試驗表明，電子產品EMI 測試存在溫度效應，隨著產品的運行時間增加，機內溫度升高，產品的EMC 性能發生變化，最終影響測試結果，甚至對標準符合性判定造成影響。

2）測量結果有明顯變化的4 個樣品中，有2個樣品測試結果隨著運行時間增加、機內溫度升高而傳導騷擾明顯減小；有2 個樣品測試結果隨著運行時間增加、機內溫度升高而傳導騷擾明顯增大。試驗表明，不同產品的EMI 測量結果受運行時間、機內溫度影響的趨勢及程度各不相同。

3）測量結果有明顯變化的4 個樣品中，運行時間前20 min 的測試結果變化較大，第（20～30）min 的測試結果變化較小（1 dB 以內），可能是因為產品機內溫度隨運行時間增加而越來越穩定，因此產品EMC 性能也越來越平穩，使得測試結果逐漸穩定。

3 原理分析

試驗證明機內溫度對電子產品的EMC 特性存在一定影響，那么該影響是如何產生的呢？

3.1 電磁騷擾產生與抑制措施

電子設備產生電磁騷擾的根本原因在于電壓/電流產生不必要的變化，由于實際電子元器件與理想元器件存在一定差異，電路的電壓/電流信號會發生設計預期外的變化，因此電磁騷擾普遍存在于各類電子設備中。抑制電磁騷擾的基本方法主要有：接地、屏蔽、濾波，其中濾波器主要由電阻、電容、電感、磁珠磁環等組成。

3.2 濾波元器件—電容器、電感器、磁芯

電容器與電感器的參數對濾波器的性能有決定性影響，以LC 差模濾波器[1]（如圖9）為例，該濾波器的插入損耗曲線如圖10 所示，其調諧頻率F0的計算公式為：

圖9 有差模濾波電路的開關電源傳導騷擾測試等效電路圖

圖10 實際電源中的LC 差模濾波電路的插入損耗

由插入損耗曲線及公式（1）可知濾波器中的電容器及電感器的規格參數直接決定了濾波器的插入損耗及諧振頻率。而有研究表明，電容器的容值與電感器的感量會隨溫度的變化而產生變化[2,3]。類似的反應也會發生在磁珠磁環等磁芯中，溫度的變化會導致鐵氧體的磁導率的變化[4]，影響其功率損耗。因此可以推斷，隨著產品運行時間增長，機內溫度升高，濾波器的插入損耗和諧振頻率，以及磁體的磁導率發生了變化，進而改變了產品的EMC 性能，最終導致EMI 測試結果的變化。

3.3 發熱元器件—集成電路（芯片）、變壓器等

一些元器件在運行中，會產生功率損耗并轉化為熱量，當熱量的釋放量大于排放量，機內熱量便會積累，導致機內溫度升高。這些發熱元器件不僅會使得濾波電路溫度升高從而影響濾波性能，還會使發熱元器件本身的EMC 性能發生改變。例如，集成電路（芯片）的溫度變化會對電子電路板的電磁發射或磁化率產生不可忽略的影響[5]。又例如，變壓器的溫度升高會導致變壓器實心繞組的電阻增大了振蕩的衰減，并減小振蕩的銳度，使得諧振回路的品質因數下降，而且產生的有功損耗使得調諧頻率偏移[6]。

4 建議

為保證產品EMC 性能穩定可控，建議廠家在研發設計時，充分考慮產品運行時的溫度狀態，對芯片、變壓器等發熱元器件做好散熱處理，溫度敏感的電子元器件盡可能遠離熱源布局，EMC 濾波電路盡量使用溫度特性良好的元器件，例如X7R電容等。

對于EMC 測試實驗室，建議嚴格按照產品標準和方法標準關于預運行/預熱時間的要求，對受試設備進行測試前的預運行，例如照明設備在EMC 測試前，應按照GB/T 17743-2021 標準的7.8條款的要求預運行到穩定狀態[7]。如果沒有給定預運行/預熱時間，在試驗之前，受試設備應運行足夠的時間，以保證其工作方式和工作狀態為壽命期限內的典型狀態[8]。并且應在足夠長的時間內觀察產品的騷擾電平是否穩定，對于騷擾電平不穩定的產品，應依據測試方法標準的相關要求，延長測量接收機的讀數觀察時間，進行進一步的驗證。

5 結語

本文通過對比試驗研究電子產品的運行時間、機內溫度對EMI 測試結果的影響，得出一些測試結果變化的規律，并從電路設計和元器件特性角度對此現象進行原理分析，提出了產品設計和電磁兼容測試相關建議，對產品的生產和檢測具有一定的指導意義。