一种通信电源模块传导骚扰测试的改进方法

张一龙，吕鹏，霍玉杰，杨柳

（大唐移动通信设备有限公司研发中心，北京100083）

一种通信电源模块传导骚扰测试的改进方法

张一龙，吕鹏，霍玉杰，杨柳

（大唐移动通信设备有限公司研发中心，北京100083）

针对TD-LTE通信基站设备电源端口传导骚扰测试时开关电源模块单体能通过测试，但基站设备不能通过测试的情况，对比分析了其产生的原因，并提出了一种电源模块传导骚扰测试的改进方法。实测结果证明，该方法能够大幅降低电源模块和基站设备传导骚扰测试结果的差别。

基站设备；开关电源；传导骚扰；认证方法

引言

通信基站设备在推向市场之前，需要经过一系列的强制认证。电源端口传导骚扰是电磁兼容性认证中很重要的一项测试，若顺利地通过测试并取得认证证书，能够加快产品推向市场的进度；反之，若不能通过测试，则使产品推向整改环节，增加改版乃至重新设计的风险，影响产品发布的日程。

在模块化的研发流程中，基站设备电源端口传导骚扰的控制主要是通过控制开关电源模块输入端口的传导骚扰来实现的。现以某型号基站设备BSE及其电源模块为例进行阐述。

1　测试过程与问题

现以某型号基站设备BSE及其电源模块为例，阐述目前传导测试的过程和出现的问题。基站设备BSE直流输入额定电压为-48 V，直流输出额定电压为+32 V，额定功率为616 W，电源端口传导骚扰需要满足CISPR 22中Class B的限值要求。由于很多情况下，各板卡同步研发或电源模块为外购件，所以在只有电源模块研发样机的情况下，并不能准确测试出整个基站设备电源端口传导骚扰的水平，而只能通过替代方法来预估。在电源选型和认证的过程中，业界普遍采用水泥负载的替代方法来预估电源是否能满足整机的要求。

图1中所示为对电源模块输入端口进行传导骚扰测试示意。在测试中，使用水泥负载来模拟基站设备内部各板卡对电能的消耗，使电源模块达到额定的输出功率。通常，要求用在Class B的基础上降低6 dB的限值对测试结果进行约束。若测试结果低于该限值要求，则认为它基本可以等效于如图2所示的测试配置中基站设备整机电源输入端口传导骚扰的测试结果。值得注意的是，在图2的测试环境中，基站设备需要建立正常的业务，并保持认证标准要求的工作状态。

图1　电源模块传导骚扰测试示意（使用水泥负载）Fig.1 Conducted emission test on SMPS（with cement load used）

图2　基站设备整机的电源输入端口传导骚扰测试（使用板卡负载）Fig.2 Conducted emission test on power input port of base station（with real PCB load used）

然而，使用水泥负载代替板卡负载并不能完全保证基站设备整机能够顺利通过测试。对于某些型号的基站设备及其电源模块，使用水泥负载不仅不能保证整机通过测试，甚至会增加整机测试不通过的风险。

图3和图4分别展示了基站设备BSE的电源模块使用水泥负载和板卡负载时的传导骚扰预扫谱线。为提高测试效率，使用PK（peak）值检波器和平均AV（average）值检波器进行预扫，再在PK值幅值较高的频点检测准峰值QP（quasi-peak）。对比图3、图4可以发现，由于测试配置与负载的不同导致寄生参数存在差异，前后测试中骚扰电流的谐振点和Q值不尽相同。使用水泥负载时，最大PK值约44 dBμV，最大AV值约35 dBμV；使用板卡负载时，最大PK值约52 dBμV，最大AV值约50 dBμV。二者测试结果差异很大，且使用水泥负载的测试结果更低，无法预知使用板卡进行测试时，整机能否通过测试。

图3　使用水泥负载的测试结果Fig.3 Test result of conducted emission test（with cement load used）

图4　使用板卡负载的测试结果Fig.4 Test result of conducted emission test（with real PCB load used）

2　水泥负载测试方法的缺陷分析

对比基站设备整机和电源模块输入端口传导骚扰的测试条件，很容易发现负载的不同导致两种测试结果差异巨大。分析认为，此测试结果的差异主要是由负载的阻抗属性和动态性能不同造成的。

2.1负载的阻抗属性不同

使用水泥负载进行测试时，为使电源模块达到既定输出功率，往往用满足通流量要求的导线将多块水泥负载并联来实现电源模块的额定输出功率。然而，使用水泥负载只能保证直流或者低频时电源模块的负载阻抗接近板卡负载阻抗，在传导骚扰的测试频段，两种测试方法的负载阻抗差异很大，这也导致了电源输出路径上骚扰电流的差异很大。

在传导骚扰的测试频段，尤其是以共模噪声为主的MHz以上频段，使用的水泥负载表现为电阻丝的电阻和寄生电感、寄生电容的串联，连接各负载的导线表现为电阻和寄生电感的串联。电源模块测试时输出线上高频骚扰的传导路径如图5所示。由于水泥负载和互连导线都是线连接的几何结构，电源模块输出线及水泥负载与机壳间的寄生电容C1和C2很小，所以对共模骚扰的抑制能力更为明显。水泥负载和导线整体表现为Z1=R+jωL（L＞0）的形式，高频段的电感效应更为明显，使得负载阻抗增加，噪声电流降低。

图5　电源模块测试时输出线上高频骚扰的传导路径（使用水泥负载）Fig.5 Conducting path of high frequency noises in the output line（with cement load used）

而在基站设备整机电源输入端口的传导骚扰测试时，电源模块的负载为各个板卡，即真实负载。为保证板卡供电的稳定及滤除高频噪声，通常在板卡电源供电端口处设置旁路电容和退耦电容。同时，板卡上地层、信号包地、散热片等结构的存在，会增加负载到地间的杂散电容。整机测度时输出线上的传导路径如图6所示，实际板卡负载整体表现为Z2=R-jωC（C＞0）的形式，高频段的电容效应更为明显，使得负载阻抗降低，噪声电流增加。

图6　基站设备整机测试时输出线上高频骚扰的传导路径（使用板卡负载）Fig.6 Conducting path of high frequency noises in the output line（with real PCB load used）

通过以上分析可知，使用水泥负载得到的传导骚扰测试结果会较真实值偏低。即便在限值上加严了6 dB，仍然会出现使用水泥负载测试通过而板卡负载测试不通过的情况。

2.2负载的动态性能不同

使用水泥负载进行测试时，负载的阻抗相对稳定，使电源模块的主要骚扰源如MOSFET、变压器、输出二极管等能够工作在一个稳定的工作状态。而且，由于水泥负载将电能100%转化为热能，温升明显，导致负载阻抗逐渐增加，输出电流逐渐降低，骚扰电流随之降低。

而使用板卡负载进行测试时，由于板卡上存在多个数字及模拟组件，正常工作时，尤其是工作状态切换时，阻抗快速变化，动态水平很高，直接导致开关占空比及二极管反向恢复电流等特征的变化。同时，模拟及数字板卡正常工作时，会沿电源线将板卡产生的骚扰电流注入电源模块。其次，板卡温升没有水泥负载显著，从电源输出口看总的负载一直处于阻抗较低的水平，工作电流及骚扰电流都维持在较高的水平。

使用两种不同负载进行测试的差异化对照结果见表1。

表1　传导骚扰测试中不同负载引起的差异Tab.1 Differences due to different loads in conducted emission tests

2　动态容性负载替代测试方法

2.1动态容性负载测试定性分析

在传导骚扰测试中，水泥负载和板卡负载的差异很大，所以考虑其他替代方法最大限度地模拟板卡对电源端口传导骚扰的影响。从理论分析和实测结果来看，基站内板卡状态切换的过程，即动态的容性负载阻抗对电源模块的传导骚扰测试最为不利，所以考虑使用具有动态响应的电子负载来模拟板卡工作状态的切换过程，如图7所示。

电子负载调至定电阻高量程CRH（constant resistance high voltage range）模式，同时并联2 000 μF的电解电容来模拟板卡的容性阻抗，使电源模块达到与使用板卡负载时相同的输出功率。此时，电源模块整体负载表现为Z3=R-JωC（C＞0）的形式，更接近实际板卡的负载属性。通过编程实现电子负载的动态响应，要求5%～80%的功率变化，电流变化速率2 A/μs，以模拟板卡工作状态切换的过程。

测试时，将电子负载机壳接地。由于内部数字模拟组件及外部并联的电解电容体积较大，它们与电子负载机壳间的寄生电容为高频的共模骚扰提供了较低的阻抗路径，更接近实际板卡负载与基站设备机壳间固有寄生电容的情形。

相比水泥负载，动态电子负载的温升和产生的骚扰电流对电源模块的影响也更接近板卡负载的情况。

图7　使用动态电子负载并联电容代替板卡负载的测试电路Fig.7 Test circuit of dynamic electric load in parallel with capacitor instead of real PCB load

3.2实测结果对比

基站设备BSE使用动态容性负载测试的配置如图8所示。总容值2 000 μF的电解电容组放置于BSE的机壳内部，并联的电子负载由于体积太大，只能放于BSE的机壳外部，但要尽量接近机壳放置。测试时使用的电子负载为Chroma 63106A。

使用动态容性负载时，最大PK值约为56 dB μV，最大AV值约为50 dBμV，比使用板卡负载时略高。通过图9和图2的对比容易发现，2种不同测试配置下，骚扰电压在1～10 MHz频段的谐振情况出现差异，但在200～300 kHz和10～20 MHz两个频段出现了谐振点，且谐振频率十分接近。使用动态容性负载得到的测试结果稍差于使用板卡负载的测试结果，这对电源模块设计初期进行裕量设计、整改和预计BSE整个设备电源端口传导骚扰的水平有重要意义。

图8　电源模块传导骚扰测试（使用动态容性负载）Fig.8 Conducted emission test on SMPS（with dynamic capacitive load）

图9　使用动态容性负载的测试结果Fig.9 Conducted emission test on SMPS（with dynamic capacitive load）

4　结语

本文提出了一种使用动态容性负载测试电源模块传导骚扰水平的方法，相比传统使用水泥负载的测试方法，该方法更接近基站设备整机的测试结果。而且，由于动态容性负载的测试配置更加严苛，可以预先发现电源模块设计中的薄弱点并在更大程度上保证基站设备整机顺利通过测试。

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An Alternative Certification Method for Conducted Emissions of SMPS

ZHANG Yilong，LYV Peng，HUO Yujie，YANG Liu
（Research Department，Datang Mobile Communications Equipment Co.Ltd.，Beijing 100083，China）

In this paper，the reasons why switching mode power supply（SMPS）for TD-LTE base stations alone could pass the conducted emissions（CE）test while the whole equipment could not are analyzed.An alternative certification test method for conducted emissions of SMPS is proposed.Test results prove that this method can greatly decrease the difference between test results of single SMPS and base station equipment.

base station；switching mode power supply；conducted emission；certification method

张一龙

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.166

TN 06

A

张一龙（1988-），男，硕士，助理工程师，研究方向：电磁兼容及信号完整性，E-mail：zhangyilong@datangmobile.cn。

吕鹏（1986-），男，本科，助理工程师，研究方向：开关电源效率优化，E-mail：lvpeng@datangmobile.cn。

霍玉杰（1982-），男，通信作者，硕士，工程师，研究方向：可靠性及环境适应性，E-mail：huoyujie@datangmobile.cn。

杨柳（1980-），男，硕士，高级工程师，研究方向：射频电路，E-mail：yangliu @datangmobile.cn。

2015-11-24