電流探頭用于傳導輻射測試和診斷分析的方法

2023-07-27 16:29:35來源：互聯網

EMC基礎標準CISPR16-1-2中定義了電流探頭的規格參數及校準方法，并且被信息技術設備、通訊設備、機動車輛、軍用設備等通用標準引用，使電流探頭成為重要的EMC標準測試設備。電流探頭也是在EMC問題診斷分析中關鍵的工具，尤其是對于線纜形成的發射問題的干擾源和干擾路徑判斷有立竿見影的作用。本文介紹電流探頭用于傳導和輻射測試、診斷分析的基本方法，供大家參考。

【資料圖】

電流探頭的校準和系數

利用電流探頭進行EMI精確測量時需要在頻譜儀或接收機中導入探頭的轉移阻抗系數才能將電壓換算成電流（電壓/阻抗=電流）。基礎標準中給出了50?系統下的電流探頭校準方法如下：

圖1電流探頭校準示意圖

圖2電流探頭校準實測圖

圖3轉移阻抗系數的計算和應用

電流探頭的轉移阻抗系數是通過S21測量得到插入損耗系數（V1-V2即電壓衰減系數），將插損系數再減去34db?（除50?的對數運算），則得到轉移阻抗系數k（dB?），通過這個系數在測試時可以換算實際電流值Ip（dBμA）=V2（接收機電壓對數讀值dBμV）+k（dB?）。

電流探頭用于診斷中可以直接使用電壓插損系數換算電壓值，方便使用傳導電壓限值。

一、電流探頭用于傳導測試和診斷分析

電流探頭用于標準傳導測試

采用電流探頭進行傳導測試是網絡通信設備、車載零部件、軍標中的標準方法。在電源端口有LISN人工電源網絡（符合CISPR16-1-2的50?或150?阻抗網絡）的情況下，使用電流探頭得到傳導測試結果與阻抗網絡的測試結果是一致的，但電流探頭測試更便利——很多無法連接阻抗網絡的端口也可以用電流探頭進行測試，這對于復雜系統場景和EMC要求嚴格的場景是很重要的測試方法。電流探頭用于標準傳導測試的方法參考各相應標準，在此不展開描述。

電流探頭用于傳導診斷分析

另外電流探頭還為EMC工程師提供了快速分析差模與共模干擾的能力。在標準傳導測試布置下測試以下幾種不同狀態下的傳導測試頻譜就能夠分析出共模差模成分，對于在實驗室場地進行傳導問題的診斷分析非常有幫助。

圖4使用電流探頭測試差模加共模的測試方法（與LISN測試結果相同）

圖5使用電流探頭測試共模電流測試方法（共模分量會加倍，即+3dB），差模抵消

圖6使用電流探頭測試差模的測試方法（共模抵消，分離差模）

在簡單系統中（如僅包含輸入電源線纜的電子設備），利用上述的方法就能快速判斷傳導問題并且通過優化端口濾波設計獲得改善，但復雜系統中，傳導的高頻部分（10-30MHz）經常出現一些難以通過端口調整濾波進行處理的頻點。這種情況下端口的共模干擾很可能并非沿電源線向外進行發射，而是其他線纜發射到外部的共模干擾電流利用電源端口進行回流。傳統的診斷方法依賴經驗判斷、線纜插拔比對、加減夾扣等方法處理此類問題，而利用電流探頭進行診斷相對更快速直接——通過對非電源線纜進行傳導共模電流探測，能夠在不改變系統工作狀態的情況下快速確定高頻超標點的端口和線纜，明確真實發射路徑，同時也是驗證方案有效性的評判方法。

圖7復雜線纜的系統傳導高頻共模電流路徑

對于研發EMC工程師而言，研發過程中很多的EMC測試和診斷并非發生在標準傳導測試場地（如大型和巨型超大功率設備系統無法進行實驗室測試、復雜系統的研發預測試、子系統的快速測試評估等），往往需要在研發初期在研發場地進行傳導預測試和診斷，這種情況則可以借助一些特制的阻抗網絡對網電源噪聲進行濾波和保證對地阻抗穩定,并利用電流探頭進行快速靈活的傳導測試。

圖8特制阻抗網絡配合電流探頭進行傳導測試示意圖

圖9特殊阻抗網絡配合電流探頭測試和診斷分析

EMC研發工程師可以非屏蔽的研發實驗場地上采用標準阻抗網絡和高性能電源濾波器搭建的傳導測試臺，也可以利用的帶濾波功能的阻抗網絡實現非標準場地的傳導測量，能夠極大降低EMC風險和測試費用。當EMC工程師緊急處理傳導問題時，甚至可以在任意場地條件下利用電流探頭進行傳導測試評估（但由于對地阻抗的不確定需要增加裕量）：當現場電源端口沒有LISN阻抗網絡但存在電源濾波器的情況下建議以限值線以下6dB評估；如果電源直接連接網電源需要限值線以下10dB做為評估限值（測試結果在評估線以下可以判定為風險很小）。

電流探頭用于傳導診斷分析簡易流程

使用電流探頭進行傳導問題的診斷分析非常高效，一般參考如下簡易流程即可：LISN或電流探頭測出超標輻射點 → 將超標點頻譜展開，確定頻譜細節 → 使用電流探頭，依據頻譜細節確定干擾線纜，判斷路徑→ 如有必要，使用近場探頭進一步探測干擾源精確位置→確定源和路徑之后，分析制定解決方案→ 利用電流探頭或阻抗網絡快速比對驗證各方案的實際效果→確定最優解決方案。

二、電流探頭用于輻射預測試和診斷分析

電流探頭用于輻射預測試（pre-test）的基本原理

天線進行輻射測試有著方便、高效、一致性好的特點，但進行輻射問題的診斷分析時并不是最佳工具。輻射超標必須依賴一定電尺寸的天線才能形成發射，而線纜往往就是這個幫兇，使用電流探頭對線纜發射進探測分析對于找到罪魁禍首顯得非常關鍵，因此非常有必要研究電流探頭與輻射測試的相關性以便指導我們分析輻射問題。電流探頭用于輻射預測試的方法的理論源自于經典電磁場理論中的輻射發射模型的推導應用。圖10天線發射產生輻射電場的基本公式上圖左邊公式可以看出，對于確定的天線，天線增益和天線阻抗是常量，距離R的遠場電場強度E僅與天線功率P相關，而依據右邊公式，天線發射功率P是位移電流的因變量，所以結合兩個公式只有電流I是遠場電場E的唯一自變量，因此理論上天線上的位移電流（共模電流）與遠場電場之間存在嚴格的對應關系，通過測量天線上位移電流就能對遠場輻射電場的大小進行換算。

電流探頭用于輻射預測試的限值和方法

利用以上理論，我們在EMC研發活動中可以通過使用電流探頭測量線纜上的共模電流進行輻射的預測試和診斷分析。通過進一步理論計算并在工程實際中驗證有效性之后，我們推薦以下共模電流限值（此部分內容篇幅所限，再行詳敘）：1.輻射Class B限值對應共模電流限值為3uA, 對應10dBuA 對應44dBuV@BW 120kHz2.輻射Class A限值對應共模電流限值為10uA, 對應20dBuA 對應54dBuV@BW 120kHz 這一限值考慮了大部分線纜發射模型為半波單極子，對應場地為標準開闊場，電流探頭采用電壓系數。使用電流探頭進行輻射預測試時，線纜上共模電流的最大電壓頻譜包絡與標準輻射暗室天線測試頻譜包絡是一致的，而兩者超標和裕量也是相對應的。實踐活動中簡單線纜的設備電流探頭進行預測試的結果與天線結果一致性很好，對復雜大型系統和線纜眾多的設備的輻射評估也是一個很好補充方法，隨著EMC工程師應用經驗的累積，這種評估方法會日趨準確和高效。這個限值和方法的意義是為EMC工程師提供了一種不依賴昂貴的EMC測試暗室資源可以在任意開放空間中（普通研發實驗室即可）對輻射進行預測試評估的極低成本的解決方案。同時也擺脫了研發樣品開發階段的限制，不必等待正式樣品才能在輻射實驗室取得測試數據，在開發早期最簡樣品階段就能夠全程跟蹤研發EMC狀況并且針對性地進行設計迭代改善。

電流探頭用于輻射診斷分析的流程和方法

EMC工程師很多時候需要處理突發的輻射超標問題，在缺乏電流探頭工具做為診斷分析工具的情況下，常常只能依賴工程師的個人經驗采用各種傳統的方法（插拔線纜、增加磁環、增加屏蔽線、銅箔屏蔽等），遇到復雜系統或復雜線纜就會難以快速診斷出問題，而利用電流探頭和以上的限值可以直接的對線纜進行評估，避免了拔插對系統工作狀態的影響，也無需反復天線掃描比對數據，增加磁環和屏蔽方案時也能有的放矢，從而提高了診斷效率。我們在輻射測試場地利用電流探頭處理緊急輻射問題時可以參考以下簡略流程處理：遠場天線測出超標輻射點→ 將超標點頻譜展開，確定頻譜細節 →使用電流探頭和限值評估線纜，尋找輻射線纜→ 結合夾扣磁環、屏蔽等方法確認發射源線纜和受耦合線纜，判斷路徑→如有必要，使用近場探頭進一步探測干擾源精確位置→確定源和路徑之后，分析制定解決方案 → 利用電流探頭快速比對驗證各方案的實際效果→利用天線確認遠場改善效果 →確定最優解決方案。當使用電流探頭進行方案驗證時（突發問題的現場最常見方案是線纜增加夾扣磁芯和增加屏蔽等路徑處理，研發現場可以進一步進行內部電路分析和設計優化進行源頭處理）我們可以參考如下操作：將電流探頭夾在已知共模電流超標線纜上，得到初始頻譜幅值→ 在近線纜端口增加夾扣磁芯、更換屏蔽線纜或用銅箔包裹并接地或源頭進行處理等方案，相同狀態下得到比對頻譜幅值 → 夾扣磁環使所對應超標點頻譜幅值下降3-10dB以上為有效，屏蔽線纜有30dB以上優化為佳，源頭處理以頻譜消失為佳。在診斷和優化過程中任何線纜有關的EMI的改善措施的評估，都應該以線纜上共模電流的明顯降低作為支持數據。 EMC工程師僅需要電流探頭、同軸電纜、接收機或頻譜儀這三種工具就能進行傳導輻射的測試和診斷分析。如果將電流探頭150kHz-1GHz的系數與150kHz-1GHz的傳導輻射限值（上文推薦的限值）導入測量頻譜儀或接收機，就可以一次完成輻射和傳導頻段掃描，對于全面掌握研發產品的發射頻譜和節約開發費用很有實際意義。