克服谐波预一致性测试挑战

如果您正在开发的电子设备插入墙壁供电，您可能需要将其发送到合规实验室，以确保其符合各种国际标准，例如 CE、IEC、CEC、CQC、能源之星和规格电源。

根据实验室的定价以及所需测试和 DUT 的复杂性，每次前往合规实验室的费用从 2,000 美元到 5,000 美元不等。假设一切顺利，该成本已计入开发预算，您可以提前安排测试，这样您就不会延迟产品发布日期。

但是，如果您的设计未能通过一致性测试，情况就会迅速改变。首先，您必须弄清楚它失败的原因并设计解决方案。然后，您已经提出了重新测试的预算，并在合规实验室的测试队列中等待了几周。您正在增加费用并失去上市时间优势。

诸如此类的场景是预合规测试如此重要的一个重要原因。使用正确的设备正确完成，它可以确保合规性测试只不过是一种形式，从而节省您的时间和金钱。

鉴于预一致性测试的优势，为什么不是每个人每次都对每个新设计都进行测试？工程团队跳过预合规有两个主要原因。首先是缺乏内部功率测量专业知识，再加上对学习曲线长的担忧。第二个是缺乏成本效益高、易于使用的台式功率分析设备。随着具有内置预一致性测试和报告功能的低成本功率分析仪的推出，这些原因现在都被搁置了。

在这里，我们着眼于使用低成本功率分析仪来评估产品的交流电源电流谐波是否符合欧洲使用并在世界范围内广泛采用的 IEC 61000-3-2 标准，通常几乎不需要修改。该标准规定了每相消耗输入电流≤ 16 A 的设备的限制。IEC 61000-3-12 涵盖了每相电流 >16 A 且 ≤ 75 A 的设备。这两个标准的谐波测量和评估方法均受 IEC 61000-4-7 的约束。

电流谐波

由于开关电源对电源线呈现非线性负载，因此输入电压和电流波形不相同。在输入周期的某些部分汲取电流，导致在输入电流波形上产生谐波。过多的谐波能量会影响连接到电力线的其他设备的运行，并增加供电成本。

大多数现代系统都有某种输入功率转换电路（图 1）。输入级通常有一个输入整流器，后跟一个旁路电容器。根据设计，可能有也可能没有功率因数校正电路。输入功率受此输入电路的影响，进而导致非线性响应。这会导致输入电流出现失真的非正弦波形，并最终导致破坏性谐波。

图 1：典型的输入功率转换电路。

谐波可以定义为一系列具有不同幅度的闭合正弦曲线，可以表示为基本信号频率的各个倍数。每个谐波的幅度取决于信号的失真。换句话说，谐波是多个纯正弦曲线形式的失真信号的数学和视觉表示，因此，如果将所有正弦曲线加在一起，您将得到原始信号。

一般来说，傅里叶分析用于数学计算给定信号的谐波。大多数测量仪器使用快速傅里叶变换 (FFT) 或离散傅里叶变换 (DFT) 算法来计算谐波。DFT 需要更多的处理能力，但可以更准确。理想情况下，您需要使用 DFT 处理以获得尽可能高准确度的设备。

在现实世界中，设备负载不是恒定的，这会导致每个谐波值的幅度发生变化（图 2）。这种谐波被称为波动谐波，因为它们是不断变化的，所以实时量化它们很重要。波动的谐波还可以产生不是基频精确倍数的分量。这些分量通常位于电源谐波和间谐波之间。IEC 61000-3-2 标准以 5 Hz 的间隔定义这些组件，并要求对最终一致性进行评估。

图 2：不断变化的负载导致波动的谐波。

IEC 61000-3-2 要求

根据 IEC 61000-3-2 标准，设备分为四个类别之一。这些等级是根据许多因素建立的，例如使用的设备数量、使用时间、同一设备在给定时间范围内的使用频率、功耗和谐波频谱，包括相位或清洁程度或扭曲了设备汲取的电流。根据这些标准，设备分为以下几类：

A 类： 平衡三相设备、家用电器，不包括 D 类标识的设备、除便携式工具外的工具、白炽灯调光器、音频设备以及其他任何不属于 B、C 或 D 类的设备

B类： 便携式工具、非专业设备的弧焊设备

C类： 照明设备

D类： 个人电脑和个人电脑显示器、电视接收器

每个班级的要求可能非常具体。例如，微波炉被认为是 A 类设备，并以 100% 的标称功率进行测试。烤箱必须在最大材料厚度为 3 毫米、外径为 190 毫米的玻璃碗中加入 1,000 克水。对于预合规性测试，确认特定类型设备的确切要求至关重要。

该标准定义了每个等级对 40次谐波次数的限制（见表 1）。A 类和 B 类的限制是常数，不依赖于基波电流或功率。B 类使用与 A 类相同的限制乘以 1.5 倍。另一方面，C 类和 D 类的限制是基波电流或额定功率的函数。无论类别如何，所有谐波分量都应保持在这些限制范围内，以便被认为是合规的。

表 1. IEC 61000-3-2 谐波分量限值。

除了定义的谐波分量限值外，该标准还对测试系统的精度提出了要求。交流电源必须在目标电压的 2% 范围内，并且频率规格的容差在 0.5% 范围内。该标准还规定了谐波含量和电压波峰因数的限制。对于预一致性测试，建议使用适当的交流电源，但不是必需的。通常，简单地使用线路电源应该提供足够的信息来为特定设计做出正确的决定。

该标准还定义了测量系统精度的要求（见表 2）。定义了两类设备。用于完全合规性测试的 1 类设备与 2 类设备相比具有更严格的精度要求，2 类设备的要求有些宽松，用于一般验证和预合规性测试。在为此应用选择功率分析仪时应考虑这些要求。

表 2. 电源一致性测试的测量系统精度要求。

该标准还描述了测量方法的要求。为了测量波动的谐波，需要每 200 ms 捕获一次数据，没有间隙。每个数据集应捕获 10 个 50 Hz 周期或 12 个 60 Hz 周期。必须使用 DFT 分析每个 200 毫秒的模块，以确定 40 个电流谐波的幅度。Power 软件用于执行此分析并与指定的限制进行比较。

该标准还要求检查间谐波。对于每个 200 ms 的块，测量 5 Hz 至 2,025 Hz 的 400 多个谐波。然后，通过按照标准定义将 400 个谐波组合在一起，将这些分量呈现为 40 个谐波。例如，在图3中，6次谐波是从275Hz到325Hz的谐波能量的总和，从而发现了该频率附近的所有能量。这是针对所有 40 个谐波完成的。

图 3：捕获和表示间谐波的方法。

除谐波外，该标准还要求进行频率、功率、功率因数、电压谐波和基频测量。该标准还要求用于测试的软件能够标记数据中的过载情况和差距。

预一致性测试

当涉及到预一致性测试时，最好的方法是在整个设计周期中尽早进行测试。在大多数情况下，运行预一致性测试只需要相对稳定的线路电源和功率分析仪。一个好的功率分析仪解决方案可能无法完全满足所有的一致性测试要求，但它比高端解决方案更实惠，并且在最终一致性测试期间提供了设计通过的高度信心。用于预合规应用的设备应符合几乎所有 61000-3-2 要求，包括间谐波测试，并且设计成永远不会假通过；泰克 PA1000 功率分析仪就是这种仪器的一个例子。

为了在功率分析仪和被测设备之间建立连接，在本例中为 1,300-W 微波炉，使用了接线盒（图 4）。从那里，定义测试参数、打开微波炉并运行测试是一件简单的事情。