克服諧波預(yù)一致性測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的定價(jià)以及所需測(cè)試和 DUT 的復(fù)雜性，每次前往合規(guī)實(shí)驗(yàn)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(jì)入開發(fā)預(yù)算，您可以提前安排測(cè)試，這樣您就不會(huì)延遲產(chǎn)品發(fā)布日期。

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

諸如此類的場景是預(yù)合規(guī)測(cè)試如此重要的一個(gè)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(cè)試只不過是一種形式，從而節(jié)省您的時(shí)間和金錢。

鑒于預(yù)一致性測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，為什么不是每個(gè)人每次都對(duì)每個(gè)新設(shè)計(jì)都進(jìn)行測(cè)試？工程團(tuán)隊(duì)跳過預(yù)合規(guī)有兩個(gè)主要原因。首先是缺乏內(nèi)部功率測(cè)量專業(yè)知識(shí)，再加上對(duì)學(xué)習(xí)曲線長的擔(dān)憂。第二個(gè)是缺乏成本效益高、易于使用的臺(tái)式功率分析設(shè)備。隨著具有內(nèi)置預(yù)一致性測(cè)試和報(bào)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(píng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的諧波測(cè)量和評(píng)估方法均受 IEC 61000-4-7 的約束。

電流諧波

由于開關(guān)電源對(duì)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(huì)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(jí)通常有一個(gè)輸入整流器，后跟一個(gè)旁路電容器。根據(jù)設(shè)計(jì)，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(huì)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(hào)頻率的各個(gè)倍數(shù)。每個(gè)諧波的幅度取決于信號(hào)的失真。換句話說，諧波是多個(gè)純正弦曲線形式的失真信號(hào)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(hào)。

一般來說，傅里葉分析用于數(shù)學(xué)計(jì)算給定信號(hào)的諧波。大多數(shù)測(cè)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(jì)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(shí)世界中，設(shè)備負(fù)載不是恒定的，這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)諧波值的幅度發(fā)生變化（圖 2）。這種諧波被稱為波動(dòng)諧波，因?yàn)樗鼈兪遣粩嘧兓?，所以?shí)時(shí)量化它們很重要。波動(dòng)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(duì)最終一致性進(jìn)行評(píng)估。

圖 2：不斷變化的負(fù)載導(dǎo)致波動(dòng)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(gè)類別之一。這些等級(jí)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(shí)間、同一設(shè)備在給定時(shí)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(shí)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(gè)人電腦和個(gè)人電腦顯示器、電視接收器

每個(gè)班級(jí)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(cè)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(duì)于預(yù)合規(guī)性測(cè)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(gè)等級(jí)對(duì) 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(duì)測(cè)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(duì)于預(yù)一致性測(cè)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(jì)做出正確的決定。

該標(biāo)準(zhǔn)還定義了測(cè)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(cè)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(yàn)證和預(yù)合規(guī)性測(cè)試。在為此應(yīng)用選擇功率分析儀時(shí)應(yīng)考慮這些要求。

表 2. 電源一致性測(cè)試的測(cè)量系統(tǒng)精度要求。

該標(biāo)準(zhǔn)還描述了測(cè)量方法的要求。為了測(cè)量波動(dòng)的諧波，需要每 200 ms 捕獲一次數(shù)據(jù)，沒有間隙。每個(gè)數(shù)據(jù)集應(yīng)捕獲 10 個(gè) 50 Hz 周期或 12 個(gè) 60 Hz 周期。必須使用 DFT 分析每個(gè) 200 毫秒的模塊，以確定 40 個(gè)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(duì)于每個(gè) 200 ms 的塊，測(cè)量 5 Hz 至 2,025 Hz 的 400 多個(gè)諧波。然后，通過按照標(biāo)準(zhǔn)定義將 400 個(gè)諧波組合在一起，將這些分量呈現(xiàn)為 40 個(gè)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(duì)所有 40 個(gè)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(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)還要求用于測(cè)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(cè)試

當(dāng)涉及到預(yù)一致性測(cè)試時(shí)，最好的方法是在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中盡早進(jìn)行測(cè)試。在大多數(shù)情況下，運(yùn)行預(yù)一致性測(cè)試只需要相對(duì)穩(wěn)定的線路電源和功率分析儀。一個(gè)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(cè)試要求，但它比高端解決方案更實(shí)惠，并且在最終一致性測(cè)試期間提供了設(shè)計(jì)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(cè)試，并且設(shè)計(jì)成永遠(yuǎn)不會(huì)假通過；泰克 PA1000 功率分析儀就是這種儀器的一個(gè)例子。

為了在功率分析儀和被測(cè)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(cè)試參數(shù)、打開微波爐并運(yùn)行測(cè)試是一件簡單的事情。?