汽车零部件传导抗干扰测试中阻尼振荡锯齿合成波的研究

0国内统一刊号CN31-1424／TB2009/6总第214期学术论文AcademicPapers汽车零部件传导抗干扰测试中阻尼振荡－锯齿合成波的研究金善益　熊炜　马欣/上海市计量测试技术研究院/上海市电磁兼容检测重点实验室　　在汽车电子零部件瞬态传导抗扰度的测试中，各种类型的波形有不同的实现方法。该文对一种特殊的测试脉冲：阻尼振荡－锯齿合成波的软件编辑以及硬件实现进行研究，提出了一种经济、实用的试验方法。关键词瞬态传导抗扰度；阻尼振荡－锯齿合成波；振幅；半衰期，耦合1　汽车零部件传导抗干扰测试系统简介汽车零部件传导抗干扰测试系统是用来模拟在汽车内部环境中，由各种干扰源（主要是发动机、继电器、电机等）通过公共电源传导的方式，对其他设备造成的干扰。汽车零部件传导抗干扰测试的波形主要可以分为：1）继电器瞬态脉冲；2）抛负载脉冲；3）电源变化；4）正弦纹波。基于上述几种主要的测试波形，各大仪器厂商都推出了自己的脉冲发生器，在继电器和抛负载脉冲上覆盖了ISO7637的所有波形以及由此衍生的其他标准的波形，而在电源变化和正弦纹波测试波形的实现方面，推出的任意波形发生器，以其自编函数波形、多通道输出以及软件支持的多通道参数排列组合输出，再通过直流功率放大器，施加在被测样品上，使绝大多数企业标准的波形得以实现。工作原理如图1所示。虽然目前主流的传导抗干扰测试系统在实现绝大部分的测试波形上不存在问题，但目前市场上的传导抗干扰测试系统中的任意波形发生器以及功率放大器的带宽有限，可供选择的现成波形函数也不多，另外高频双极化电源放大器价格昂贵，且使用场合很少，因此被仪器制造商采用到传导抗干扰测试系统的不多，使得这类系统在进行某些特殊的日系汽车企业标准测试时遇到一些困难。一个典型的例子就是Nissan汽车零部件电源变化及正弦波动测试标准28400NDS02中的Ripplefluctuation，本文主要针对这个波形测试的实现进行研究。Ripplefluctuation简单来说是一个高频的正弦振荡波和一列频率较低的锯齿波的叠加，具体波形如图2，波形参数见表1及图3。从波形编辑角度来看，这不是一个标准的常用函数，无法直接调用任意波形内存的典型函数实现。其中f2的确定，取决于实车的发动机转速，f2＝发动机转速×1.44。从图2中可以看出，此波形是一个振幅衰减的正弦波和一个锯齿波的合成，不是任意波形发生器能生成的常用函数波形。标准的建议是借助于一个双极化图1　汽车零部件传导抗干扰测试系统国内统一刊号CN31-1424／TB2009/6总第214期学术论文AcademicPapers电源来产生波形，对双极化电源的要求也十分苛刻，电源的带宽要达到150kHz以上，需要在±35V的输出电压下能产生±20A的电流，且需要覆盖四个象限的输出。因此，符合的双极化电源成本高，且利用率很低，能找到一个通过其他方式实现标准要求的测试方法很有意义。2　测试波形的软件编辑从图2的函数图像中可以看出，此波形的函数在一个周期内是一个锯齿波加上一个正弦波，V=Y+y=f（t）sinα（t）+kt+b，其中。首先，求解锯齿波。锯齿波在第一个周期内是一次函数y=kt+b，其中，截距；当时，，由此k=-f2V2p-p。因此锯齿波在第一个周期内的函数则为，其中。其次，求解正弦波的函数表达式。正弦波的频率f1＝(135±15)kHz，因此，α(t)=2πf1t，其中。在求解正弦波的振幅函数f（t）中，遇到一定困难。标准中的函数图像（见图2）表达的与实际有不符之处，例如从图3中可以看出V1p-pV2p-p，所以正弦波的波谷处的电压值必定小于14V，而不是像图2那样14V的线在波谷之下。从图2的函数图像中看出正弦波的振幅从起始处的最大值开始慢慢衰减，到一定时间后衰减为最大值的一半，然后继续衰减直到为0，因此可以认为是线性衰减，如此，f（t）也是一次函数f（t）=kt+b，其中，截距，且正弦波在20us后衰减为0。当t=10μs时，，由此，即，其中t的单位为μs，（0≤t20μs）。代入，，可以得到脉冲在其第一周期中的分段函数：图2表1ItemCommutationsurgeRippleWaveform　Sinewave　SawtoothwaveformFrequencyf1，f2135±15kHz（f1）1~9kHz（f2）MaxvoltageV1p-p，V2p-p　见图2见图2　HalflifeT1　10μs　——　Temperaturerange℃　Upperandlowerlimitsofoperatingtemperaturerange,and20±5℃图3但是对于这个正弦波的振幅函数，不是很令人满意，原因在表1中对T1的描述，对T1的定义是Halflife，即半衰期，若这个正弦波的振幅是按以衰变的方式衰减的，那么它的函数为：国内统一刊号CN31-1424／TB2009/6总第214期学术论文AcademicPapers　　，T1/2即为半衰期，这样给出f(t)的表达式，即。于是，脉冲在第一个周期中的函数表达式为：，其中0≤tf2。图4a　　　图4b图4中所示的为两个函数在初始900μs的图像（假设f2=9kHz的情况）。其中，图4a为振幅函数线性衰减情况下的波形函数；图4b为振幅函数指数衰减情况下的波形函数。对两种不同思路得出的函数进行比较，从对标准的理解上来讲，波形的描述不够详细，波形图也不令人满意，但是就参数的文字描述来讲，两个函数表达式中后者更为符合要求。表2中所示的即为两个函数在部分时间点的值（假设f2=9kHz的情况）。从图4和表2中的比较来看，在振幅指数衰减的正弦波达到波峰或波谷时，两个函数值会有相对较大的差别，从函数图像上看，后者更加贴合实际情况，因为阻尼振荡波不会在某个时间点突然消失。至此，选取后者作为实际应用的脉冲函数更为合适。由于28400NDS02中没有确切的函数式以及能够确定振荡部分振幅的函数的描述，因此我们只能通过参阅其他文献中的描述来佐证得到的结果，IEC61000-4-12中虽然也没有阻尼振荡的函数，但是通过其对波形的描述足以得到其函数式。以振荡频率为1MHz为例，我们可以得到阻尼振荡的函数（暂不考虑第一个波峰脉冲的上升时间）为：，其中t为时间，U0为施加干扰的等级。通过对比，可以发现除去参数不同的问题，阻尼振荡的函数与图4b所描述的函数图像是一致的，由此证明前面对函数式的判断是有据可依。3　测试波形的硬件实现考虑到此波形所要求的电压函数是在正常的14V电源电电压附近有一个振荡波形，因此可以考虑设置一个耦合系统把振荡波形耦合在供电电源上，而不是由电源直接产生波形。这个想法可以借鉴美军标MIL-STD-461E中的音频传导抗干扰测试CS101的测试方法，通过一台简单的音频隔离变压器来完成。即在隔离变压器的注入端口接入一个由函数信号发生器产生并由音频功放放大的振荡信号，从而完成耦合的过程。CS101标准布置图见图5。而图6即为不利用双极化电源时实现此波形的硬件配置图。函数信号发生器产生的信号经过音频功率放大器的放大，注入到隔离变压器的一端（primaryport），14V供电电源给受试设备正常供电，只是在电源线上串联了隔离变压器的另一端（secondaryport），从而在隔离变压器上实现两个电信号的叠加。使用隔离变压器的作用在于既可以隔离电源发出的直流信号，防止大功率的直流电进入信号产生端而损坏设备，同时可以通过电感耦合的方式将信号耦合至电源端。函数信号发生器通过软件可以输入波形中的具体数据，即电压幅值，软件使用了计算物理学的方式通表2时间/μs电压值/V振幅线性衰减振幅指数衰减015.45015.4500.516.19916.192116.77816.7541.517.09117.048217.09417.0392.516.80216.747514.05014.1221015.95815.9581515.13315.1642014.92814.4763014.66714.7404014.40614.4765014.14514.0867513.49313.50010012.84012.840图5国内统一刊号CN31-1424／TB2009/6总第214期学术论文AcademicPapers得到了振荡波形后，接着要做的就是实现两个函数信号的叠加：按照图6的设置来搭建系统，先不连接受试设备，将示波器连入图6中受试设备处。供电电源正常输出后，使函数信号发生器通过功放正常输出，先将函数信号发生器的输出电压调至最低处，然后通过观测示波器中得到的波形的幅值来调节函数信号发生器的输出电压，最终得到图8中的波形，即为所需实现的干扰波形，记录下此时函数信号发生器的输出电压值。实际测试中只需在连接受试设备并使其正常工作后，通过函数信号发生器使功率放大器输出已记录好的信号幅度，即可得到标准要求的测试波形。图7图85　对于测试的进一步思考以上已经通过函数发生器数值输入的方式生成波形，隔离变压器耦合的方式注入信号。隔离变压器的耦合是一种电感耦合，比较安全，不过由于电感的特性，可能在加载后对波形的形状产生影响，图5对CS101的配置中电源线和地线之间有一个10μF的电容，可以进一步试验有无此电容对加载后的波形的影响。另外根据MIL-STD-461E上的描述，对耦合方式其源内阻必须足够小，于是需要进行验证试验，即比较开路和加上1Ω负载时隔离变压器的输出电压。振荡波第一个峰值的电压值在开路时为17V，加上1Ω负载时为15.6V，根据欧姆定律，得到源内阻约为90mΩ，远小于一般负载的阻值，因此耦合时不会过数值来模拟这个波形，只要通过不断细化x轴的参量（即时间），就可以根据需要对波形进行不同精确程度的模拟。4　测试中的应用在得到函数表达式后，可以通过细化时间点，得到不同时间的函数值，综合考虑函数模拟的精确性以及软件支持的精确度，选取0.1μs作为时间精细度来输入函数值到函数信号发生器，然后通过示波器观测函数信号发生器的输出。（考虑到注入波形是叠加在标准14V电源上的，因此输入函数信号发生器的电压值是第3节得到的函数值减去14后的电压值）这里与先前求解函数时的方法有所区别，求解函数时，试验脉冲被分离为两个函数的和，即振幅衰减的正弦波与锯齿波的合成：V=Y+y=[f(t)sinα(t)]+[kt+b]，其中而实际应用时，由于硬件上一个输入源仅仅是一个供电电压源，所以脉冲此时被分离的两个加数是一个常值函数和一个复合函数，即：V=Y′+y′=[f(t)sinα(t)+kt]+[C]，其中而常值函数y′的值恒等于14。如此，函数信号发生器所要产生的波形即为上式中的Y′。因此，先假设f2=9kHz，而f1=135kHz，则可以得到所需的滤除电源电压后的波形的函数为：Y′=e-t·100000ln2·sin270000πt-26100t+，（0≤t≤1.11×10-4s）且通过f2的值可以得到波形的周期为111.1μs。以0.1μs为时间精细度，代入时间t的值，得到0~111.1μs的函数值。在软件中输入所有的函数值，设定周期等参数后在示波器上得到了图7中的波形图，从波形形状上看实际得到的波形与标准要求的效果基本相同，再对比波形的周期与幅值，也与函数计算出的数值十分吻合，所以通过这种方式产生振荡波形的方法是可实现的。图6国内统一刊号CN31-1424／TB2009/6总第214期学术论文AcademicPapers有太大的压降。此外，还可以考虑直接注入的的方式。由于直接注入有一定风险，会使信号注入端被14V的直流供电伤害，可在注入端并联0.5Ω的电阻，由于功放对于这个电阻是高阻，这个0.5Ω电阻会通过绝大部分电流，以保护功放的正常运行，但是对于此电阻的选择必须考虑到其功率，否则电阻的损坏会进一步使功放也受到损坏。本文给出的是一种信号耦合方式，虽然是参照军标，但内阻和耦合方式的完善仍需进一步研究。由于双极化电源价格昂贵，因此用以上方法可以取代双极化电源的作用。相对而言，本