【技術(shù)科普】| 終于有人把 LISN 說清楚了
01 Part
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202412/465183.htmLISN是什么?
人工電源網(wǎng)絡(luò)簡稱LISN(Line impedance stabilization network)或AMN(Artificial Mains Network)是傳導(dǎo)電壓騷擾測量的主要工具。在傳導(dǎo)騷擾電壓測試布置中,待測物的電源供電端連接到LISN的電源輸出,LISN的電源輸入連接到電網(wǎng),LISN的射頻輸出連接到EMI測量接收機,如圖1所示。
圖1 傳導(dǎo)騷擾電壓測試方框圖
在傳導(dǎo)騷擾電壓測試中,LISN主要有以下作用:
提供待測設(shè)備(DUT)的供電(AC/DC)
將待測設(shè)備(DUT)產(chǎn)生的騷擾電壓耦合到測量接收機
提供穩(wěn)定的輸入阻抗作為測量標準
具有濾波功能,防止電網(wǎng)與待測物(DUT)之間的相互干擾
02Part
LISN 如何分類?
常見的LISN可以分為兩類: V型LISN和Δ型LISN 。用戶需要根據(jù)自己的產(chǎn)品測試需求來選擇對應(yīng)的LISN類型。
V型LISN:
模擬阻抗為50Ω的人工電源網(wǎng)絡(luò),用來測量非對稱電壓(Unsymmetrical Voltage),即每根導(dǎo)線或端子與規(guī)定的接地基準之間的射頻騷擾電壓。由于每根導(dǎo)線或端子都會流過共模與差模電流,所以測量的結(jié)果并不區(qū)分差模電壓或者共模電壓,結(jié)果是兩種干擾的矢量疊加。如果需要使用V型LISN進行差?;蛘吖材8蓴_的測試,需要借助額外的差共模分離裝置,比如Schwarzbeck的CMDM 8700。
Δ型LISN:
模擬阻抗為150Ω的人工電源網(wǎng)絡(luò),用來測量對稱電壓(Symmetrical Voltage),即兩根導(dǎo)線或端子之間的射頻騷擾電壓(差模電壓);也可測量不對稱電壓(Asymmetrical Voltage),即兩根導(dǎo)線的電氣中點與參考地之間的射頻騷擾電壓(共模電壓)。所以Δ型LISN是可以直接輸出差?;蛘吖材8蓴_信號的。除此以外,還可以兼顧V型LISN的功能,用來測量非對稱電壓(Unsymmetrical Voltage),但是模擬的阻抗值仍然是150Ω。
圖2 V型LISN和Δ型LISN
兩種不同類型LISN中,V型LISN是應(yīng)用最廣泛的, V型LISN按阻抗和應(yīng)用的不同分為兩類:
-電感為5μH 的V型LISN:滿足標準CISPR 16-1-2、 CISPR 25、 ISO 7637以及DO160的要求,主要用于汽車、船只和飛行器電子零部件的EMI測量,如R&S ESH3-Z6(圖3)。
圖3 R&S ESH3-Z6
-電感為50μH 的V型LISN:滿足標準CISPR 16-1-2、 MIL STD 461 以及 ANSI C63.4的要求,主要用于消費及軍用電子產(chǎn)品的EMI測量,如R&S ENV216(圖4)。
圖4 R&S ENV216
而Δ型LISN目前主要是應(yīng)用在產(chǎn)品標準CISPR 11中針對并網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換器類產(chǎn)品的DC輸入端口進行騷擾電壓測試,比如常見的光伏并網(wǎng)逆變器等,Schwarzbeck的 PVDC 8300(圖5)就是典型的Δ型LISN。由于CISPR 11只要求這類產(chǎn)品的DC端測試需要使用Δ型LISN,因此也稱之為DC-AN。
圖5 Schwarzbeck PVDC 8300
圖 6 CISPR 11 中針對并網(wǎng)類電源的測試布置
因此LISN的分類歸納總結(jié)如下圖:
圖 7 LISN 分類歸納圖
03Part
LISN為什么會引起電網(wǎng)跳閘?
在使用LISN的過程中,當LISN連接到交流電網(wǎng)時,會觸發(fā)所在線路漏電保護器而導(dǎo)致跳閘,因而無法正常進行傳導(dǎo)騷擾測試。
這是由于LISN的結(jié)構(gòu)比較特殊,致使所在回路的漏電流達到幾百毫安或更高(特別是接入電網(wǎng)的瞬間),遠遠超出了漏電保護裝置的閾值(一般為30mA),因此引起漏電保護裝置跳閘是正常的。所以無論在LISN機殼標簽或者說明書中都有漏電流過大的說明,例如在R&S ENV216產(chǎn)品的背面有大漏電流的警告說明,警示用戶安裝LISN時要注意接地保護的處理。
圖 8 ENV216 漏電流警告說明
那LISN上的漏電流是怎樣形成的呢?
我們可以參考圖9中的R&S ENV216的電路圖,相線L或中線N都有對參考接地跨接的電容,與電感組合一起形成典型的低通濾波器,從而對來自電網(wǎng)和DUT的高頻干擾進行濾波。由于這些電容的容量較大,在電網(wǎng)工作頻率50Hz時候的阻抗會變小,產(chǎn)生對地的漏電流因此就會增加。
理論上漏電流可以用公式 I= U/Z來計算,U是電網(wǎng)電壓,Z為相線對地的阻抗值,這里我們只考慮電容的容抗值,因此Z可用
來表示,其中ω= 2πf,f = 50Hz。 通過計算可以得到理論上如果要使漏電流I小于漏電保護裝置的閾值30mA,回路對地的總電容應(yīng)至少要小于0.43μF,這還是在不考慮工頻的諧波分量的情況下。 但由于LISN需要模擬標準要求的阻抗和達到相應(yīng)的濾波要求,電容的設(shè)計值會遠大于該計算值(可參考CISPR 16-1-2 附錄A的要求),所以LSIN對地的大漏電流是無法避免的。
圖9 R&S ENV216電路原理圖
那如何解決漏電保護器跳閘的問題呢?可以從兩方面考慮去改造電網(wǎng):
①拆除漏電保護裝置:
拆除漏電保護裝置是最簡單直接的辦法,實際就是對回路中存在的漏電流不作任何處理。一些EMC實驗室會在特殊的試驗場地把漏電保護裝置去掉。這樣一來即使有非常大的漏電流,也可以正常使用LISN。
優(yōu)點:
◎ 操作簡單,方便 。
◎ 成本低 ,因無需使用額外的設(shè)備。
缺點:
有安全隱患 。當電器出現(xiàn)故障的時候,操作人員得不到保護,同時沒有漏電保護裝置也不符合實驗樓的電氣安全規(guī)定。
②采用隔離變壓器:
使用隔離變壓器,目的是隔離實際測試回路和電網(wǎng)回路。我們可在LISN與電網(wǎng)直接添加一個隔離變壓器,由于變壓器的初級(電網(wǎng))和次級(LISN)在電氣上是隔離的,這樣就形成了兩個完全獨立的回路,LISN所在回路產(chǎn)生的漏電流不會通過漏電保護裝置的回路,也就無法讓其觸發(fā)。
圖10 傳導(dǎo)騷擾電壓測試方框圖(接隔離變壓器)
優(yōu)點:
◎ 安全性好。 首先電網(wǎng)的漏電保護裝置依然能夠起到保護作用,其次隔離變壓器的初級與次級是電氣隔離的,次級(LISN)的相線和中線對地的電位差都是零,只要操作人員不同時去觸碰相線和中線,就不會導(dǎo)致觸電事故。
◎ 電壓可調(diào)節(jié)。 除了1:1的規(guī)格,用戶還可以使用電壓可調(diào)的隔離變壓器,方便測量不同電壓的產(chǎn)品。
04Part
LISN如何接地?
接地是LISN安裝過程中比較重要的環(huán)節(jié),接地不良會使測試引入較大的不確定度,導(dǎo)致測試結(jié)果失準。一般來說,由于大樓的地線是供所有室內(nèi)電子設(shè)備使用的, EMC實驗室的地線要與其獨立分開,以避免測試時從地線引入干擾。
先簡單說明一下EMC實驗室地線的架設(shè)。EMC實驗室的地線一般是將鍍鋅材料的扁鋼,或組成網(wǎng)狀的鍍鋅鋼管埋入地中(要求面積至少大于2平方米),深度應(yīng)大于2米,然后以鹽水澆注,引出至實驗室的地線應(yīng)至少采用截面積為35平方毫米的銅線,或者是大面積的銅排。這樣實驗室的接地電阻一般會小于2Ω,中國合格評定國家認可委員會CNAS對EMC屏蔽室的接地電阻要求是小于4Ω。
在LISN接地之前,首先要分清楚LISN上接地端子的定義,LISN一般會有兩類接地端子,分別是參考接地端和保護接地端。良好的參考端接地能夠保證測量結(jié)果的準確性,而保護接地是為了確保操作人員的人身安全。以R&S ENV216為例,側(cè)面接地端是參考接地端子,而背面的接地端是保護接地端子,如圖11所示。
保護接地端子是作為電源接地的一個補充,由于LISN的漏電流較大,如果電源輸入端存在類似接地不良的情況,操作人員就有觸電的可能性,額外的保護接地能夠有效地保障操作人員的安全。如圖12所示,當LISN的輸入地線意外斷開時,外殼對地會有115V的電壓差,當人的一只手觸碰LISN外殼,另外一只手觸碰到接地點時,考慮到人體的電阻大約為1300Ω,那么就會有足夠大的電流流過人的身體,危害到人的生命。
圖11 R&S ENV216的兩種接地端子
圖12 由于地線意外斷開造成的人員觸電
按測試系統(tǒng)布置的要求,LISN通常直接與金屬參考板相連,可以任意選擇與水平參考板或者垂直參考板相連接,如圖13所示。
圖13 傳導(dǎo)測試系統(tǒng)中的LISN 接地
那LISN和金屬接地板應(yīng)該如何連接呢?
其實連接的方法有很多種,但都要確保LISN參考接地端子與金屬接地板之間的電阻(直流電阻)盡量小,根據(jù)美國國家標準ANSI C63.4的要求,該接地電阻要求小于2.5mΩ。
為了保證小的接地電阻,必須要加大接地的面積,圖14是R&S ENV216的接地連接案例,以L型的銅板開孔,分別在LISN和金屬板打上螺絲釘來加固,這樣LISN和接地金屬板都能夠完全的緊貼L型銅板,具有良好的接地效果。
圖14 R&S ENV216參考接地
05Part
LISN 有什么具體的參數(shù)要求?
根據(jù)標準 CISPR 16-1-2的要求,LISN 作為傳導(dǎo)騷擾電壓測試的傳感器必須要滿足以下參數(shù)要求,這些列出的指標應(yīng)該在計量報告中體現(xiàn),具體如表1所示。
表1 CISPR 16-1-2 對LISN的參數(shù)要求
LISN 的計量除了串聯(lián)壓降一項要使用萬用表以外,其余的所有項目都可以通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成。由于LISN的電器接口并不能夠連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試,因此需要特定的夾具將接電端子轉(zhuǎn)成同軸端口,如圖15 中的R&S EZ-28夾具便可以LISN計量的要求,配合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(如R&S ZNB系列)可輕松應(yīng)對LISN的計量任務(wù)。
圖 15 R&S EZ-28 LISN 計量夾具
結(jié)語
作為EMC測量最基礎(chǔ)的項目之一,傳導(dǎo)騷擾電壓測試應(yīng)用是非常普遍的。用戶在配置測試系統(tǒng)時,要根據(jù)自己的測量分析對象及測量頻率來選擇正確的LISN類型,如V型和Δ型的選擇、或者V型中電感為5μH和50μH的選擇。用戶也可以參考測試規(guī)范來確定LISN的選型,如規(guī)范CISPR 16-1-2,CISPR 25和MIL-STD 461等。
在安裝使用LISN過程中,由于它的特殊結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的漏電流,從而需要進行電網(wǎng)改造。LISN的接地也是需要重點關(guān)注的,安全接地能夠確保操作人員的人身安全,良好的參考接地則保證了測試的準確性。
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