BCI抗擾度預測試與診斷分析的方法

BCI（bulk current injection）抗擾度測試特別適合狹小、密閉空間鋪設復雜線纜環(huán)境的電子設備的射頻擾抗擾度性能評估，因此被車載電子零部件、軍標、航空電子設備這些產(chǎn)品應用電磁環(huán)境嚴酷而可靠性和安全要求極高的產(chǎn)品類標準引用做為射頻抗擾度評估的一種通用測試方法。

BCI能對所有的線纜在很寬的頻帶內(nèi)進行高功率的射頻能量注入，對于電子設備的抗擾度設計是很大的挑戰(zhàn)；同時測試、診斷分析以及方案驗證都需要依賴標準商業(yè)實驗室資源，對研發(fā)成本支出也有很大影響。因此產(chǎn)品開發(fā)的BCI風險不容小視，尤其在缺乏BCI設計經(jīng)驗和有效的工具和方法的情況下。

通過應用和擴展BCI基本原理方法，一種研發(fā)場地進行BCI預測試和BCI問題診斷分析設計的方法可以幫助EMC工程師在開發(fā)早期就能在研發(fā)場地快速建立BCI預測試和診斷能力，有效減小研發(fā)風險。

BCI測試的基本原理

基礎標準ISO 11452-4: Road vehicles — Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy —Part 4: Harness excitation methods，對BCI的測試進行了詳細定義，在此不再進行詳述。

BCI的基本原理是通過電流互感器對設備的線纜進行耦合注入，產(chǎn)生的共模電流沿著線纜進入設備內(nèi)部，模擬了電磁環(huán)境的射頻能量干擾的注入。BCI一般使用替代法進行，注入到電流注入鉗的功率是通過100?系統(tǒng)內(nèi)校準得到的確定的功率，可以參考以下的框圖。

圖一?BCI抗擾度的框圖和功率計算

以BCI抗擾度最大測試等級106dBμA即200mA為例進行分析。由于測試系統(tǒng)為100?（相比之下IEC61000-4-6傳導抗擾度測試系統(tǒng)的300?），BCI實際注入整個系統(tǒng)的功率為：P=I*I*R=0.2*0.2*100=4W=36dBmW

對于EUT端口的實際注入功率為：P/2=2W=33dBmW

由于BCI采用電流注入鉗的耦合效率在-7dB~-20dB，功放輸出的衰減器和定向耦合器也需要-6dB損耗因此標準BCI測試需要的功放功率要接近50dBmW以上，一般需要200W以上的功放才能進行全頻段BCI抗擾度200mA測試。

研發(fā)BCI大電流注入的預測試方法

由于標準BCI測試實驗室需要很大的設備投入和維護，廣大中小企業(yè)并不具備建設條件。預測試的方法可以在較小的設備的固定投入下達到200mA注入等級，是一種較好的解決方案，但是與標準實驗室相比需要要依據(jù)現(xiàn)實約束條件進行相應的簡化，如：1.與CISPR25的發(fā)射測試臺共用進行BCI測試，不建造標準屏蔽室；2.使用100W的小的射頻功率放大器，并且功放輸出采用3dB衰減器；3.使用閉合的電流注入鉗替代開口的電流注入鉗以便達到更高效的耦合；4.手動進行校準和測試操作減少控制設備和軟件投入。

BCI的預測試的方法主要是在BCI電流注入鉗上進行了特殊設計，通過提高電流注入耦合效率和減小阻抗匹配的衰減系數(shù)就能夠以低功放功率滿足要求。

圖二MIL-STD-461E軍標對于注入探頭的插損要求

從上圖的標準曲線圖可以看電流注入鉗的耦合能力在低頻段較弱，也就需要更大的注入功率才能滿足要求。在BCI預測試方法中采用大口徑封閉電流注入鉗替代開口的注入鉗來實現(xiàn)低頻耦合能力的改善降低功放功率要求。

圖三 開口與閉口電流注入探頭耦合系數(shù)的比較

由于閉口型電流注入鉗內(nèi)部磁芯不存在氣隙，因此全頻帶耦合能力優(yōu)于開口型，500kHz以下頻率尤為明顯，同時內(nèi)部完整的磁芯相比開口的半圓的磁芯也能夠傳輸更大的功率，但閉口型注入鉗需要更大的內(nèi)徑以便線纜從中穿過。

圖四 注入電流探頭的插損校準

圖上閉口的注入電流鉗內(nèi)徑90mm，采用帶跟蹤源的頻譜儀和夾具插損測量，結(jié)果顯示閉口注入鉗的耦合帶寬和平坦度以及耦合效率高于開口注入鉗。通過使用閉口注入鉗能夠大大降低低功放的最大功率要求。

圖五?BCI預測試的功放校準和BCI校準

在研發(fā)場地進行BCI預測試除關(guān)鍵的電流注入鉗和功率放大器之外還需要很多基本的設備：金屬接地參考面、相應調(diào)幅調(diào)頻能力的射頻信號源、100W的3/6dB衰減器、測試射頻信號的頻譜儀和觀測信號波形的示波器，夾具，以及相應的輔助電源、散熱、同軸電纜、信號衰減器等。使用這些設備組成預測試系統(tǒng)并進行200mA注入校準之后可以得到相應的信號源輸出電平列表，按照相應的信號電平輸入就能完成BCI的開環(huán)替代法測試。由于場地、功放和電流注入鉗的設備投入大大小于標準實驗室，同時也不需要控制軟件，因此預測試系統(tǒng)的整體固定資產(chǎn)投入很低，對于廣大中小企業(yè)的研發(fā)投入壓力并不大，而實踐顯示該預測試系統(tǒng)與標準測試實驗室測試結(jié)果一致很高，完全可以用于研發(fā)階段的開發(fā)測試。

研發(fā)BCI大電流注入的診斷分析方法

當測試發(fā)現(xiàn)BCI的問題時，用于分析的有用信息只有敏感的線纜、頻段、電流等級以及失效表現(xiàn)，這些信息是診斷和解決BCI問題的必要但非充分條件，因此不能100%解決BCI問題。對于一些無屏蔽或無濾波的電子設備，BCI問題的解決完全依賴于分析出干擾的路徑和受擾的具體電路，這就需要引入更加直接和高效的BCI分析工具。

由于BCI只是射頻注入的一種手段，而射頻能量的注入才是真正的目的，因此我們可以通過直接注入射頻能量的方式來復現(xiàn)BCI出現(xiàn)的問題。在此推薦采用直接注入和電壓探頭注入的方法將射頻能量直接注入到電路內(nèi)部，使得BCI問題的診斷能夠進入到PCB板級和電路級，將問題分析由黑盒變?yōu)榘缀小?/p>

傳導抗擾度IEC61000-4-6中采用直接注入的方法對屏蔽層進行注入，采用的是100?同軸電阻（50?-150?轉(zhuǎn)化器）注入。參考這種方法，BCI直接注入可以使用隔離電容隔直之后不僅可以用于屏蔽層還可對電路進行直接射頻注入。由于200mA的BCI注入的實際功率為2W，采用一般5W的小型寬帶功放就能滿足直接注入的要求。

圖六 直接注入的BCI分析方法

上圖是對小型電路進行200mA BCI抗擾問題分析的布置。功放輸出的射頻能量5W，經(jīng)過3dB衰減器（衰減2.5W）之后再通過隔直電容就可以安全的注入到低壓電路內(nèi)部，通過輔助設備同步觀察電路在注入的狀態(tài)下的性能表現(xiàn)來進行抗擾能力評估。這種方法非常適合深入評估分析硬件電路的BCI性能，能夠發(fā)現(xiàn)出潛在的問題點，并且直接驗證解決方案的合理有效性。

對于較大的電路或系統(tǒng)，推薦采用共模電壓探頭注入的方式進行線纜端口和電路內(nèi)部的直接注入。EMC基礎標準CISPR16-1-2引入了用于一些特殊情況下的傳導共模電壓測量的電壓探頭，但這個標準電壓探頭的共模阻抗為1500歐并不適合直接注入。通過設計更低阻抗的電壓探頭就可以實現(xiàn)射頻能量的注入，這對于分析解決傳導問題、傳導抗擾度問題提供了新的思路和方法。

表中兩種不同共模阻抗和衰減系數(shù)的射頻電壓探頭分別可以適用于不同的抗擾度的診斷分析，如用于進行傳導抗擾度的注入、BCI注入或是輻射抗擾度射頻注入，也可以用于傳導輻射發(fā)射的問題診斷。

在預算受限的情況下，甚至可以不需要進行電流注入鉗和大功率寬帶功放的投資，使用電壓探頭和5W小功率寬帶功放對外聯(lián)線纜的端口電路進行直接射頻能量注入就能實現(xiàn)200mA的BCI抗擾度評估。這種預測試方法的方便快速、成本低廉，對設計早期分析和識別BCI問題設計和解決BCI問題有非常重要的作用，但對EMC工程師的設備操作和診斷分析能力要求較高。

抗擾度問題的解決都有賴于發(fā)現(xiàn)最終受擾的敏感電路，通過射頻直接注入才能夠得到扎實有力的測試數(shù)據(jù)，避免解決含糊帶過的解決問題。直接注入和電壓探頭用于BCI問題診斷分析的基本操作可以參考如下流程：預測試發(fā)現(xiàn)BCI問題和敏感頻點→?對問題進行確認，對敏感等級進行確認→?使用電流探頭注入線纜，確定受干擾敏感線纜，排除不敏感電纜，初步判斷路徑→?使用電壓探頭進行端口射頻注入探測精確敏感端口電路和位置→使用直接注入方法對PCB內(nèi)部敏感電路進行探測，尋找解決方案并快速驗證效果→在線纜級和系統(tǒng)級驗證方案的有效性。

這種針對BCI抗擾度提出的預測試和診斷分析的方法還可以用于傳導抗擾度、輻射輻射抗擾度的預測試和診斷分析。對于研發(fā)EMC工程師在研發(fā)過程中控制EMC風險高效進行EMC設計有非常好的作用，在此推薦給大家。