EMC整改案例系列专题：电源线传导敏感度（CS101）测试引发谐振问题整改分析案例

电源线传导敏感度（CS101）测试

引发谐振问题整改分析案例

公司：深圳市赛盛技术有限公司    作者：秋月春风     时间：2020/04/20

一、                      现象描述

1.                      产品信息

DC/DC电源变换产品，输入电压：270VDC，输出电压：29VDC。

表 1 供电特性

表 2 接口特性

图 1  电源接口示意图

2.                      试验要求

试验标准：GJB 151B-2013

试验要求：电源线为非屏蔽线

测试接口：270VDC电源输入口

测试等级：曲线一（25Hz-150kHz）

表 3  试验标准

3.                      问题描述

依据GJB 151B-2013标准测试产品的270VDC电源口，25Hz-150kHz电源线传导敏感度（CS101）测试。电源线注入干扰过程中，电源内部电路出现剧烈振荡，输入端口电压瞬间最大值到370V左右，超出产品正常工作承受电压范围，产品工作出现异常，测试结果FAIL。

测试布置如下图所示。

图 2  测试布置

表 4  原始测试现象

二、                      原因分析

1.                      振荡问题分析

1）EUT不经过LISN，直接从供电电源取电，带满载无振荡；说明：EUT设计无问题，CS101测试Fail为测试系统引入的谐振问题；

2）EUT上电带满载，SG不接入有振荡，SG接入无振荡；说明：谐振回路经过自耦变压器副边，SG接入后通过耦合变压器的互感机制可改变谐振回路电感参数，使回路固有谐振频率远离电压波动干扰频率，从而不出现振荡；

3）EUT上电带满载，按照CS101测试布置图连接，SG通过自耦变压器对电源线注入干扰，在800Hz左右出现剧烈震荡，电压最高到370V左右；说明：注入干扰频率接近固有谐振频率，导致出现振荡。

2.                      谐振回路分析

图 3  谐振回路

L为谐振回路电感，C为谐振回路电容，V为供电电源；当测试线路连接完毕，LC参数即确定，固有谐振频率f固有即确定；当注入干扰频率f注入接近f固有时，理想情况下，电路LC串联阻抗接近0，供电电压一定，电流接近∞，电容容抗一定，电容两端电压接近∞，注入干扰频率不断变化，f注入不断接近或远离f固有，电容两端电压忽大忽小，即：出现谐振。

最初测试滤波器出现损坏，滤波器内部有X电容，Y电容，共模电感；共模电感损坏可能性最低（磁芯+铜制绕线，过压最多导致漆包线破损，存在放电现象；过流最多导致铜线温升过高）,Y电容损坏可能性较低（Y电容满足基本绝缘，耐压测试1500VAC，1min无问题；测试过程中，谐振过电压很难到达1500V），推测X电容过压损坏（实际情况也是如此），即：谐振回路为差模回路（从+到-）。 

差模回路的电路电容电阻特性有：

1）       LISN回流：

谐振回路一：4uF串10Ω（差模模式时，正负线LISN上的测试端口8uF滤波电容与5Ω保护电阻为串联关系）；

谐振回路二：0.125uF串100Ω（差模模式时，正负线LISN上的测试端口50Ω电阻与0.25uF耦合电容为串联关系）。

图 4  LISN电路图

2）       10uF（试验装置）；

3）       EUT：X电容（电源内部电路决定，不同厂家滤波器略有差异）；

4）       配电滤波器：X电容（270VDC供电电压源&配电滤波器决定，不同实验室供电电压源&配电滤波器预计有一定差异，此问题会导致在不同EMC实验室测试，谐振现象会有一定差异，即：谐振频率点，振荡电压峰值会有不同）；

差模回路电感有：

1）       LISN：100uH（两LISN）；

2）       自耦变压器：副边绕组，为了实现低频耦合，该变压器采用低频硅钢片材质磁芯，因此变压器等效差模电感值可达mH级；

因谐振频率相对较低（25Hz-150kHz），暂未考虑电感、电容、变压器副边绕组、线缆寄生参数；CS101测试过程中，出现两种谐振情况：1）EUT上电后带载，逐渐加载出现谐振，此问题通过定位发现是SG未接导致，按照正常测试流程操作无谐振，此问题已解决；2）EUT上电带满载，正常测试过程中，注入干扰导致剧烈振荡，差模回路分析如下：

1）       注入干扰，有谐振，说明：回路经过L1；

2）       接入LISN，有谐振，说明：回路经过LISN；

LISN内部有两个回路：

回路经过50uH电感，还是经过0.125uF串100Ω？因有100Ω电阻存在，此回路不太会出现剧烈振荡；另外，0.125uF串100Ω//10uF，电容10uF占主导因素；说明：0.125uF串100Ω线路非谐振回路主要因素。

回路经过4uF串10Ω回路？还是经过实验室配电滤波器C1？因有10Ω电阻存在，此回路不会出现剧烈振荡；另外，4uF串10Ω//C1，一般实验室配电滤波C1相对较大，比如：20uF,电容C1占主导因素；说明4uF串10Ω线路非谐振回路主要因素。

故回路经过LISN两个50uH电感，不经过4uF串10Ω和0.125uF串100Ω线路，或者说是非主要影响因素。

3）       测试过程中，EUT内部滤波器内部X电容有出现损坏，说明：回路经过C2；

经详细分析，谐振回路示意图如下：

图 5  谐振回路示意图

三、                      措施与方案

为解决此电路谐振问题，需破坏主谐振回路中的LC参数，改变谐振回路固有频率f固有，如下：

1）       改变L

在线路中串联L2，建议L2电感量至少10倍L1，通流17A；通过估算，L1约7.8mH，L2需78mH，对于通流17A，此电感无法工程化实现；

假设：C1=10uF，C2=10uF；谐振频率为800Hz，通过计算L为7.9mH，LISN内部2个50uH，自耦变压器副边绕组L1电感量为7.8mH；

图 6  电感解决方案

2）       改变C

在线路中并联C3，建议C3电容值至少10倍C1；假设：C1=10uF；C3即100uF；

图 7  电容解决方案

3）       串联R

在线路中串联电阻，建议10Ω以下；因通流27A，压降太大；电阻阻值太小，抑制振荡效果不明显；电阻阻值太大，抑制 振荡效果明显，但压降太大；针对大电流回路，此方案不推荐。

图 8  电阻解决方案

四、                      试验结果

因产品已经通过其他的EMC测试项目，关键项目RE102，CE102已经测试通过，产品内部电路不便再做更改；从LISN到EUT之间的10uF电容，自耦变压器都是CS101测试项目固化的标准测试方法；通过如上分析，能工程化实现的措施只有电容解决方案。

表 4  最终测试结果

图 9  谐振问题解决措施

五、                      经验分享

1）CS101属于低频干扰注入测试，其测试频率段低且幅值较大，用于能量耦合注入变压器等效电感值高，对大电流类电源产品测试，需要特别关注测试系统可能带来的供电回路谐振问题；

2）EMC测试谐振，核心本质是LC谐振，即：干扰频率接近LC固有谐振频率；

3）解决振荡问题，关键是寻找谐振回路；通过测试，改变连接回路参数，逐步推断谐振回路；

4）通过改变谐振回路L或C，或在谐振回路中串联R，可解决LC谐振问题；最终采用哪种方案，需审视工程技术可实现性；

5）EMC测试问题定位分析与整改实施时，部分问题可能与测试系统的大环境相关，寻找问题解决方案时可以把重点在测试方法上，可以去改变试验系统中的某些可变参数，既不违背测试原理，又不改变产品设计，最终能满足测试要求。