克服諧波預(yù)一致性測試挑戰(zhàn)

如果您正在開發(fā)的電子設(shè)備插入墻壁供電，您可能需要將其發(fā)送到合規(guī)實驗室，以確保其符合各種國際標(biāo)準(zhǔn)，例如 CE、IEC、CEC、CQC、能源之星和規(guī)格電源。

根據(jù)實驗室的定價以及所需測試和 DUT 的復(fù)雜性，每次前往合規(guī)實驗室的費(fèi)用從 2,000 美元到 5,000 美元不等。假設(shè)一切順利，該成本已計入開發(fā)預(yù)算，您可以提前安排測試，這樣您就不會延遲產(chǎn)品發(fā)布日期。

但是，如果您的設(shè)計未能通過一致性測試，情況就會迅速改變。首先，您必須弄清楚它失敗的原因并設(shè)計解決方案。然后，您已經(jīng)提出了重新測試的預(yù)算，并在合規(guī)實驗室的測試隊列中等待了幾周。您正在增加費(fèi)用并失去上市時間優(yōu)勢。

諸如此類的場景是預(yù)合規(guī)測試如此重要的一個重要原因。使用正確的設(shè)備正確完成，它可以確保合規(guī)性測試只不過是一種形式，從而節(jié)省您的時間和金錢。

鑒于預(yù)一致性測試的優(yōu)勢，為什么不是每個人每次都對每個新設(shè)計都進(jìn)行測試？工程團(tuán)隊跳過預(yù)合規(guī)有兩個主要原因。首先是缺乏內(nèi)部功率測量專業(yè)知識，再加上對學(xué)習(xí)曲線長的擔(dān)憂。第二個是缺乏成本效益高、易于使用的臺式功率分析設(shè)備。隨著具有內(nèi)置預(yù)一致性測試和報告功能的低成本功率分析儀的推出，這些原因現(xiàn)在都被擱置了。?

在這里，我們著眼于使用低成本功率分析儀來評估產(chǎn)品的交流電源電流諧波是否符合歐洲使用并在世界范圍內(nèi)廣泛采用的 IEC 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，通常幾乎不需要修改。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每相消耗輸入電流≤ 16 A 的設(shè)備的限制。IEC 61000-3-12 涵蓋了每相電流 >16 A 且 ≤ 75 A 的設(shè)備。這兩個標(biāo)準(zhǔn)的諧波測量和評估方法均受 IEC 61000-4-7 的約束。

電流諧波

由于開關(guān)電源對電源線呈現(xiàn)非線性負(fù)載，因此輸入電壓和電流波形不相同。在輸入周期的某些部分汲取電流，導(dǎo)致在輸入電流波形上產(chǎn)生諧波。過多的諧波能量會影響連接到電力線的其他設(shè)備的運(yùn)行，并增加供電成本。

大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)都有某種輸入功率轉(zhuǎn)換電路（圖 1）。輸入級通常有一個輸入整流器，后跟一個旁路電容器。根據(jù)設(shè)計，可能有也可能沒有功率因數(shù)校正電路。輸入功率受此輸入電路的影響，進(jìn)而導(dǎo)致非線性響應(yīng)。這會導(dǎo)致輸入電流出現(xiàn)失真的非正弦波形，并最終導(dǎo)致破壞性諧波。

圖 1：典型的輸入功率轉(zhuǎn)換電路。

諧波可以定義為一系列具有不同幅度的閉合正弦曲線，可以表示為基本信號頻率的各個倍數(shù)。每個諧波的幅度取決于信號的失真。換句話說，諧波是多個純正弦曲線形式的失真信號的數(shù)學(xué)和視覺表示，因此，如果將所有正弦曲線加在一起，您將得到原始信號。

一般來說，傅里葉分析用于數(shù)學(xué)計算給定信號的諧波。大多數(shù)測量儀器使用快速傅里葉變換 (FFT) 或離散傅里葉變換 (DFT) 算法來計算諧波。DFT 需要更多的處理能力，但可以更準(zhǔn)確。理想情況下，您需要使用 DFT 處理以獲得盡可能高準(zhǔn)確度的設(shè)備。

在現(xiàn)實世界中，設(shè)備負(fù)載不是恒定的，這會導(dǎo)致每個諧波值的幅度發(fā)生變化（圖 2）。這種諧波被稱為波動諧波，因為它們是不斷變化的，所以實時量化它們很重要。波動的諧波還可以產(chǎn)生不是基頻精確倍數(shù)的分量。這些分量通常位于電源諧波和間諧波之間。IEC 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)以 5 Hz 的間隔定義這些組件，并要求對最終一致性進(jìn)行評估。

圖 2：不斷變化的負(fù)載導(dǎo)致波動的諧波。

IEC 61000-3-2 要求

根據(jù) IEC 61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備分為四個類別之一。這些等級是根據(jù)許多因素建立的，例如使用的設(shè)備數(shù)量、使用時間、同一設(shè)備在給定時間范圍內(nèi)的使用頻率、功耗和諧波頻譜，包括相位或清潔程度或扭曲了設(shè)備汲取的電流。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備分為以下幾類：

A 類： 平衡三相設(shè)備、家用電器，不包括 D 類標(biāo)識的設(shè)備、除便攜式工具外的工具、白熾燈調(diào)光器、音頻設(shè)備以及其他任何不屬于 B、C 或 D 類的設(shè)備

B類： 便攜式工具、非專業(yè)設(shè)備的弧焊設(shè)備

C類： 照明設(shè)備

D類： 個人電腦和個人電腦顯示器、電視接收器

每個班級的要求可能非常具體。例如，微波爐被認(rèn)為是 A 類設(shè)備，并以 100% 的標(biāo)稱功率進(jìn)行測試?？鞠浔仨氃谧畲蟛牧虾穸葹?3 毫米、外徑為 190 毫米的玻璃碗中加入 1,000 克水。對于預(yù)合規(guī)性測試，確認(rèn)特定類型設(shè)備的確切要求至關(guān)重要。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了每個等級對 40次諧波次數(shù)的限制（見表 1）。A 類和 B 類的限制是常數(shù)，不依賴于基波電流或功率。B 類使用與 A 類相同的限制乘以 1.5 倍。另一方面，C 類和 D 類的限制是基波電流或額定功率的函數(shù)。無論類別如何，所有諧波分量都應(yīng)保持在這些限制范圍內(nèi)，以便被認(rèn)為是合規(guī)的。

表 1. IEC 61000-3-2 諧波分量限值。

除了定義的諧波分量限值外，該標(biāo)準(zhǔn)還對測試系統(tǒng)的精度提出了要求。交流電源必須在目標(biāo)電壓的 2% 范圍內(nèi)，并且頻率規(guī)格的容差在 0.5% 范圍內(nèi)。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波含量和電壓波峰因數(shù)的限制。對于預(yù)一致性測試，建議使用適當(dāng)?shù)慕涣麟娫?，但不是必需的。通常，簡單地使用線路電源應(yīng)該提供足夠的信息來為特定設(shè)計做出正確的決定。

該標(biāo)準(zhǔn)還定義了測量系統(tǒng)精度的要求（見表 2）。定義了兩類設(shè)備。用于完全合規(guī)性測試的 1 類設(shè)備與 2 類設(shè)備相比具有更嚴(yán)格的精度要求，2 類設(shè)備的要求有些寬松，用于一般驗證和預(yù)合規(guī)性測試。在為此應(yīng)用選擇功率分析儀時應(yīng)考慮這些要求。

表 2. 電源一致性測試的測量系統(tǒng)精度要求。

該標(biāo)準(zhǔn)還描述了測量方法的要求。為了測量波動的諧波，需要每 200 ms 捕獲一次數(shù)據(jù)，沒有間隙。每個數(shù)據(jù)集應(yīng)捕獲 10 個 50 Hz 周期或 12 個 60 Hz 周期。必須使用 DFT 分析每個 200 毫秒的模塊，以確定 40 個電流諧波的幅度。Power 軟件用于執(zhí)行此分析并與指定的限制進(jìn)行比較。

該標(biāo)準(zhǔn)還要求檢查間諧波。對于每個 200 ms 的塊，測量 5 Hz 至 2,025 Hz 的 400 多個諧波。然后，通過按照標(biāo)準(zhǔn)定義將 400 個諧波組合在一起，將這些分量呈現(xiàn)為 40 個諧波。例如，在圖3中，6次諧波是從275Hz到325Hz的諧波能量的總和，從而發(fā)現(xiàn)了該頻率附近的所有能量。這是針對所有 40 個諧波完成的。

圖 3：捕獲和表示間諧波的方法。

除諧波外，該標(biāo)準(zhǔn)還要求進(jìn)行頻率、功率、功率因數(shù)、電壓諧波和基頻測量。該標(biāo)準(zhǔn)還要求用于測試的軟件能夠標(biāo)記數(shù)據(jù)中的過載情況和差距。

預(yù)一致性測試

當(dāng)涉及到預(yù)一致性測試時，最好的方法是在整個設(shè)計周期中盡早進(jìn)行測試。在大多數(shù)情況下，運(yùn)行預(yù)一致性測試只需要相對穩(wěn)定的線路電源和功率分析儀。一個好的功率分析儀解決方案可能無法完全滿足所有的一致性測試要求，但它比高端解決方案更實惠，并且在最終一致性測試期間提供了設(shè)計通過的高度信心。用于預(yù)合規(guī)應(yīng)用的設(shè)備應(yīng)符合幾乎所有 61000-3-2 要求，包括間諧波測試，并且設(shè)計成永遠(yuǎn)不會假通過；泰克 PA1000 功率分析儀就是這種儀器的一個例子。

為了在功率分析儀和被測設(shè)備之間建立連接，在本例中為 1,300-W 微波爐，使用了接線盒（圖 4）。從那里，定義測試參數(shù)、打開微波爐并運(yùn)行測試是一件簡單的事情。?