電流探頭用于傳導(dǎo)輻射測(cè)試和診斷分析的方法

EMC基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-1-2中定義了電流探頭的規(guī)格參數(shù)及校準(zhǔn)方法，并且被信息技術(shù)設(shè)備、通訊設(shè)備、機(jī)動(dòng)車輛、軍用設(shè)備等通用標(biāo)準(zhǔn)引用，使電流探頭成為重要的EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備。電流探頭也是在EMC問題診斷分析中關(guān)鍵的工具，尤其是對(duì)于線纜形成的發(fā)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(dǎo)和輻射測(cè)試、診斷分析的基本方法，供大家參考。

電流探頭的校準(zhǔn)和系數(shù)

利用電流探頭進(jìn)行EMI精確測(cè)量時(shí)需要在頻譜儀或接收機(jī)中導(dǎo)入探頭的轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)才能將電壓換算成電流（電壓/阻抗=電流）。基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中給出了50?系統(tǒng)下的電流探頭校準(zhǔn)方法如下：

圖1電流探頭校準(zhǔn)示意圖

圖2電流探頭校準(zhǔn)實(shí)測(cè)圖

圖3轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)的計(jì)算和應(yīng)用

? ??? 電流探頭的轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)是通過S21測(cè)量得到插入損耗系數(shù)（V1-V2即電壓衰減系數(shù)），將插損系數(shù)再減去34db?（除50?的對(duì)數(shù)運(yùn)算），則得到轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)k（dB?），通過這個(gè)系數(shù)在測(cè)試時(shí)可以換算實(shí)際電流值Ip（dBμA）=V2（接收機(jī)電壓對(duì)數(shù)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(shù)換算電壓值，方便使用傳導(dǎo)電壓限值。

一、電流探頭用于傳導(dǎo)測(cè)試和診斷分析

電流探頭用于標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)測(cè)試

采用電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、車載零部件、軍標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)方法。在電源端口有LISN人工電源網(wǎng)絡(luò)（符合CISPR16-1-2的50?或150?阻抗網(wǎng)絡(luò)）的情況下，使用電流探頭得到傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果與阻抗網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試結(jié)果是一致的，但電流探頭測(cè)試更便利——很多無法連接阻抗網(wǎng)絡(luò)的端口也可以用電流探頭進(jìn)行測(cè)試，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)場(chǎng)景和EMC要求嚴(yán)格的場(chǎng)景是很重要的測(cè)試方法。電流探頭用于標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)測(cè)試的方法參考各相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在此不展開描述。

電流探頭用于傳導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)測(cè)試布置下測(cè)試以下幾種不同狀態(tài)下的傳導(dǎo)測(cè)試頻譜就能夠分析出共模差模成分，對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地進(jìn)行傳導(dǎo)問題的診斷分析非常有幫助。

圖4使用電流探頭測(cè)試差模加共模的測(cè)試方法（與LISN測(cè)試結(jié)果相同）

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

圖6使用電流探頭測(cè)試差模的測(cè)試方法（共模抵消，分離差模）

在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中（如僅包含輸入電源線纜的電子設(shè)備），利用上述的方法就能快速判斷傳導(dǎo)問題并且通過優(yōu)化端口濾波設(shè)計(jì)獲得改善，但復(fù)雜系統(tǒng)中，傳導(dǎo)的高頻部分（10-30MHz）經(jīng)常出現(xiàn)一些難以通過端口調(diào)整濾波進(jìn)行處理的頻點(diǎn)。這種情況下端口的共模干擾很可能并非沿電源線向外進(jìn)行發(fā)射，而是其他線纜發(fā)射到外部的共模干擾電流利用電源端口進(jìn)行回流。傳統(tǒng)的診斷方法依賴經(jīng)驗(yàn)判斷、線纜插拔比對(duì)、加減夾扣等方法處理此類問題，而利用電流探頭進(jìn)行診斷相對(duì)更快速直接——通過對(duì)非電源線纜進(jìn)行傳導(dǎo)共模電流探測(cè)，能夠在不改變系統(tǒng)工作狀態(tài)的情況下快速確定高頻超標(biāo)點(diǎn)的端口和線纜，明確真實(shí)發(fā)射路徑，同時(shí)也是驗(yàn)證方案有效性的評(píng)判方法。

圖7復(fù)雜線纜的系統(tǒng)傳導(dǎo)高頻共模電流路徑

對(duì)于研發(fā)EMC工程師而言，研發(fā)過程中很多的EMC測(cè)試和診斷并非發(fā)生在標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)測(cè)試場(chǎng)地（如大型和巨型超大功率設(shè)備系統(tǒng)無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)預(yù)測(cè)試、子系統(tǒng)的快速測(cè)試評(píng)估等），往往需要在研發(fā)初期在研發(fā)場(chǎng)地進(jìn)行傳導(dǎo)預(yù)測(cè)試和診斷，這種情況則可以借助一些特制的阻抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)電源噪聲進(jìn)行濾波和保證對(duì)地阻抗穩(wěn)定,并利用電流探頭進(jìn)行快速靈活的傳導(dǎo)測(cè)試。

圖8特制阻抗網(wǎng)絡(luò)配合電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試示意圖

圖9特殊阻抗網(wǎng)絡(luò)配合電流探頭測(cè)試和診斷分析

EMC研發(fā)工程師可以非屏蔽的研發(fā)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上采用標(biāo)準(zhǔn)阻抗網(wǎng)絡(luò)和高性能電源濾波器搭建的傳導(dǎo)測(cè)試臺(tái)，也可以利用的帶濾波功能的阻抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地的傳導(dǎo)測(cè)量，能夠極大降低EMC風(fēng)險(xiǎn)和測(cè)試費(fèi)用。當(dāng)EMC工程師緊急處理傳導(dǎo)問題時(shí)，甚至可以在任意場(chǎng)地條件下利用電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試評(píng)估（但由于對(duì)地阻抗的不確定需要增加裕量）：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電源端口沒有LISN阻抗網(wǎng)絡(luò)但存在電源濾波器的情況下建議以限值線以下6dB評(píng)估；如果電源直接連接網(wǎng)電源需要限值線以下10dB做為評(píng)估限值（測(cè)試結(jié)果在評(píng)估線以下可以判定為風(fēng)險(xiǎn)很?。?/p>

電流探頭用于傳導(dǎo)診斷分析簡(jiǎn)易流程

使用電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)問題的診斷分析非常高效，一般參考如下簡(jiǎn)易流程即可：LISN或電流探頭測(cè)出超標(biāo)輻射點(diǎn) → 將超標(biāo)點(diǎn)頻譜展開，確定頻譜細(xì)節(jié) → 使用電流探頭，依據(jù)頻譜細(xì)節(jié)確定干擾線纜，判斷路徑→ 如有必要，使用近場(chǎng)探頭進(jìn)一步探測(cè)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(wǎng)絡(luò)快速比對(duì)驗(yàn)證各方案的實(shí)際效果→確定最優(yōu)解決方案。

二、電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試和診斷分析

電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試（pre-test）的基本原理

天線進(jìn)行輻射測(cè)試有著方便、高效、一致性好的特點(diǎn)，但進(jìn)行輻射問題的診斷分析時(shí)并不是最佳工具。輻射超標(biāo)必須依賴一定電尺寸的天線才能形成發(fā)射，而線纜往往就是這個(gè)幫兇，使用電流探頭對(duì)線纜發(fā)射進(jìn)探測(cè)分析對(duì)于找到罪魁禍?zhǔn)罪@得非常關(guān)鍵，因此非常有必要研究電流探頭與輻射測(cè)試的相關(guān)性以便指導(dǎo)我們分析輻射問題。? ? ? 電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試的方法的理論源自于經(jīng)典電磁場(chǎng)理論中的輻射發(fā)射模型的推導(dǎo)應(yīng)用。圖10?天線發(fā)射產(chǎn)生輻射電場(chǎng)的基本公式? ? ? 上圖左邊公式可以看出，對(duì)于確定的天線，天線增益和天線阻抗是常量，距離R的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度E僅與天線功率P相關(guān)，而依據(jù)右邊公式，天線發(fā)射功率P是位移電流的因變量，所以結(jié)合兩個(gè)公式只有電流I是遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)之間存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測(cè)量天線上位移電流就能對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電場(chǎng)的大小進(jìn)行換算。

電流探頭用于輻射預(yù)測(cè)試的限值和方法

利用以上理論，我們?cè)贓MC研發(fā)活動(dòng)中可以通過使用電流探頭測(cè)量線纜上的共模電流進(jìn)行輻射的預(yù)測(cè)試和診斷分析。通過進(jìn)一步理論計(jì)算并在工程實(shí)際中驗(yàn)證有效性之后，我們推薦以下共模電流限值（此部分內(nèi)容篇幅所限，再行詳敘）：1.輻射Class B限值對(duì)應(yīng)共模電流限值為3uA, 對(duì)應(yīng)10dBuA 對(duì)應(yīng)44dBuV@BW 120kHz2.輻射Class A限值對(duì)應(yīng)共模電流限值為10uA, 對(duì)應(yīng)20dBuA 對(duì)應(yīng)54dBuV@BW 120kHz? ? ? 這一限值考慮了大部分線纜發(fā)射模型為半波單極子，對(duì)應(yīng)場(chǎng)地為標(biāo)準(zhǔn)開闊場(chǎng)，電流探頭采用電壓系數(shù)。使用電流探頭進(jìn)行輻射預(yù)測(cè)試時(shí)，線纜上共模電流的最大電壓頻譜包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)輻射暗室天線測(cè)試頻譜包絡(luò)是一致的，而兩者超標(biāo)和裕量也是相對(duì)應(yīng)的。實(shí)踐活動(dòng)中簡(jiǎn)單線纜的設(shè)備電流探頭進(jìn)行預(yù)測(cè)試的結(jié)果與天線結(jié)果一致性很好，對(duì)復(fù)雜大型系統(tǒng)和線纜眾多的設(shè)備的輻射評(píng)估也是一個(gè)很好補(bǔ)充方法，隨著EMC工程師應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的累積，這種評(píng)估方法會(huì)日趨準(zhǔn)確和高效。? ? ? 這個(gè)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(cè)試暗室資源可以在任意開放空間中（普通研發(fā)實(shí)驗(yàn)室即可）對(duì)輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)試評(píng)估的極低成本的解決方案。同時(shí)也擺脫了研發(fā)樣品開發(fā)階段的限制，不必等待正式樣品才能在輻射實(shí)驗(yàn)室取得測(cè)試數(shù)據(jù)，在開發(fā)早期最簡(jiǎn)樣品階段就能夠全程跟蹤研發(fā)EMC狀況并且針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)候需要處理突發(fā)的輻射超標(biāo)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)采用各種傳統(tǒng)的方法（插拔線纜、增加磁環(huán)、增加屏蔽線、銅箔屏蔽等），遇到復(fù)雜系統(tǒng)或復(fù)雜線纜就會(huì)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(duì)線纜進(jìn)行評(píng)估，避免了拔插對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，也無需反復(fù)天線掃描比對(duì)數(shù)據(jù)，增加磁環(huán)和屏蔽方案時(shí)也能有的放矢，從而提高了診斷效率。? ? ? 我們?cè)谳椛錅y(cè)試場(chǎng)地利用電流探頭處理緊急輻射問題時(shí)可以參考以下簡(jiǎn)略流程處理：遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)出超標(biāo)輻射點(diǎn)→ 將超標(biāo)點(diǎn)頻譜展開，確定頻譜細(xì)節(jié) →使用電流探頭和限值評(píng)估線纜，尋找輻射線纜→ 結(jié)合夾扣磁環(huán)、屏蔽等方法確認(rèn)發(fā)射源線纜和受耦合線纜，判斷路徑→如有必要，使用近場(chǎng)探頭進(jìn)一步探測(cè)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(duì)驗(yàn)證各方案的實(shí)際效果→利用天線確認(rèn)遠(yuǎn)場(chǎng)改善效果 →確定最優(yōu)解決方案。? ? ? 當(dāng)使用電流探頭進(jìn)行方案驗(yàn)證時(shí)（突發(fā)問題的現(xiàn)場(chǎng)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(fā)現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)一步進(jìn)行內(nèi)部電路分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)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(biāo)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(jìn)行處理等方案，相同狀態(tài)下得到比對(duì)頻譜幅值 → 夾扣磁環(huán)使所對(duì)應(yīng)超標(biāo)點(diǎn)頻譜幅值下降3-10dB以上為有效，屏蔽線纜有30dB以上優(yōu)化為佳，源頭處理以頻譜消失為佳。在診斷和優(yōu)化過程中任何線纜有關(guān)的EMI的改善措施的評(píng)估，都應(yīng)該以線纜上共模電流的明顯降低作為支持?jǐn)?shù)據(jù)。? ? ? EMC工程師僅需要電流探頭、同軸電纜、接收機(jī)或頻譜儀這三種工具就能進(jìn)行傳導(dǎo)輻射的測(cè)試和診斷分析。如果將電流探頭150kHz-1GHz的系數(shù)與150kHz-1GHz的傳導(dǎo)輻射限值（上文推薦的限值）導(dǎo)入測(cè)量頻譜儀或接收機(jī)，就可以一次完成輻射和傳導(dǎo)頻段掃描，對(duì)于全面掌握研發(fā)產(chǎn)品的發(fā)射頻譜和節(jié)約開發(fā)費(fèi)用很有實(shí)際意義。

電流探頭EMI應(yīng)用小結(jié)

使用電流探頭進(jìn)行傳導(dǎo)輻射測(cè)試和診斷分析的應(yīng)用方法有著便利、高效、通用、低成本的特點(diǎn)，對(duì)于EMC工程師高效完成EMC開發(fā)有很大幫助，在此推薦給大家在工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用。