EMC设计整改测试案例系列专题 - 实验室LISN与被测设备电源谐振引发传导测试超标问题整改分析案例
实验室LISN与被测设备电源谐振引发传导测试超标问题整改分析案例
公司：深圳市赛盛技术有限公司 作者：Mr. Lau 时间：2020/05/08
一、 现象描述
电源线接在LISN上，电源线不接EUT（悬空），LISN供115VAC/400Hz电源，测试CE102背景超标。
表 1 供电特性
额定电压 | 电压范围 | 最大电流 | 备注 |
115VAC/400Hz | / | / |
表 2 接口特性
接口名称 | 工作电压 | 接口类型 | 电缆类型 | 备注 |
电源口 | 115VAC | 连接器 | 屏蔽线 |
1. 试验要求
试验标准：GJB 151B-2013
试验要求：电源线为屏蔽线
测试接口：115VAC电源输入口
表 3 试验标准
测试项目 | 测试标准 | 测试限值 |
CE102 | GJB 151B-2013 |
|
2. 问题描述
依据GJB 151B-2013标准测试某产品的115VAC电源口，10KHz-10MHz电源线传导发射测试，测试不通过。经过排查发现，LISN端接上电源空线测试背景，测试结果与EUT正常工作时的测试结果一致。
测试布置如下图所示。
Ø 电源线经过配电盒，配电盒分出8组并联的电源供电线束，用于给测试系统中的其他用电设备供电，问题验证时不接负载，均处于开路状态。
图 1 场地布置示意图
3. 原始数据
测试条件为所有负载设备均不接，8组用电设备电源端子悬空，超标频率点在10k-20kHz的低频段（400Hz的高次倍频）。因为是背景测试，系统负载产品并没有上电，所以初步判读问题原因应该是实验室测试系统与被测试系统的电源线（8根较长的电源线）因分布参数的影响，发生谐振，导致LISN上的采样电压值采样到此差模谐振电压噪声。
图 2 原始数据（底噪测试）
二、 问题原因分析
1. 谐振回路等效原理图模型
图 3 等效原理图
备注：S为供电电源等效400Hz激励源，L1和L2为线缆的寄生电感，R1和R2为线缆的寄生电阻，L3为线间的互感，C为线间的分布电容。
2. 谐振电路分析
在含有电阻、电感和电容的交流电路中，电路两端电压与其电流一般不同相，若调节电路参数或电源频率使电流与电源电压同相，电路呈电阻性，称这时电路的工作状态为谐振。
在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。
串联谐振发生的条件
一个串联电路中，要想发生谐振，需要满足一定的条件。
当
，即：
时，
，这时，电压与电流同相,电路中发生串联谐振。
由
，可得
，则谐振频率就是
在电感和电容并联的电路中，当电容的大小恰恰使电路中的电压与电流同相位，即电源电能全部为电阻消耗，成为电阻电路时，叫做并联谐振。
并联谐振是一种完全的补偿，电源无需提供无功功率，只提供电阻所需要的有功功率。谐振时，电路的总电流最小，而支路的电流往往大于电路的总电流，因此，并联谐振也称为电流谐振。
并联谐振发生条件：
发生并联谐振时，
(a) Y=
由
可得
则谐振频率就是
（b）
可得：
一般情况下，线圈电阻R远远小于XL,因此，忽略R得到
即得谐振频率
所以，谐振频率的大小，由电感的大小和电容的大小决定。
当有电流流过时，电感线圈会产生感应磁场，磁场会产生反向电流，来阻止正向电流流动；如果正向电流要减小时，电感又会阻止电流减小，来保持电流流动，反向电流将会对电感进行充电，然后电容将会放电，循环往复。
假设该电路旁边，有一个交流电压源，交流电压源的频率与振荡频率完全相同
如果我们添加了一个如图所示的电阻，电阻两侧的电压将会始终相等，这意味着电阻上的压降一直为零。
如果电阻上的电压始终为零，将不会有电流流过它。从交流电压源的角度来看，电感和电容并联组合的特性类似于一个开路，电感电容并联组合就可以用开路来代替，并且交流电压源也不会因此产生变化，因为不会有电流流过交流电压源。
假设我们采用了与之前相同的电感和电容，将它们进行串联，由于该电路中的元器件都是串联的，因此在这个电路中每个点的电流将会相等，电感电容组合的谐振频率仍然存在。
由于这些元件是串联的，电感电容组合的特性就像短路一样，并且交流电压源也不会因此发生变化，因为流过交流电压源的电流，大小没有发生变化，然而，只有当电压源的频率刚好等于谐振频率时才有效。
电压源的频率越接近谐振频率，电感电容串联的特性就会像短路一样，并且电流幅度也会越大；如果电感和电容并联则情况相反，电压源的频率越接近谐振频率，电感电容并联组合的特性就会像开路一样，通过电压源的电流也将会越低。
三、 措施与方案
谐振频率是由电路中的电感和电容所决定的，因此，要解决谐振的问题，可以改变电路中的电感和电容参数。由于样品空间等因素限制，不采取增加电感的方式。为了解决谐振问题，我们在配电盒的L/N线间增加差模电容，电容取值10uF。
四、 试验结果
图 4 系统最终测试结果
五、 经验分享
产品或系统电源口传导测试，如出现低频段的超标问题，而该超标为非产品开关电源有效开关频率噪声，此时需要分析测试供电回路的谐振可能性，避免出现对产品测试结果的错误判据。
