CS101試驗的功放保護方法研究

傅小葉　張榮榮　李金蓉　張宇

摘要：根據《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》（GJB 151B-2013）進行CS101電磁兼容試驗時，功率放大器的保護是一個不可忽視的問題。本文結合實踐，提出一種分壓保護的方法，并給出了該方法下CS101試驗的具體實施步驟，試驗證明此方法可行。

關鍵詞：CS101;功放保護;傳導敏感度

中圖分類號：TN7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0112-02

0 引言

隨著信息技術的發展、電氣化及自動化水平的不斷提高，電磁環境日益復雜，電磁干擾在產品研制中的問題愈加突出，電磁兼容性已不容忽視。在軍標的電磁兼容測試中，CS101試驗主要是檢驗EUT（待測產品）承受耦合到輸入電源線上的信號的能力。主要目的是在允許電源電壓波形失真的脈動電壓條件下確保EUT性能不降低。由于EUT在電源頻率上的負載電流會在耦合變壓器初級產生電壓，負載電流越大則引起的電壓越大，這些電壓可能給功率放大器帶來潛在的隱患。GJB 151B-2013中提出的功率抵消方法由于操作難度大，不易于實現，本文通過原理分析和試驗結合，提出一種分壓保護的方法，并用試驗驗證了該方法的有效性。

1 試驗方法分析

GJB152A-1997中CS101的測試布置圖如圖1所示。信號發生器作為干擾源輸出一個正弦波，經過音頻功放的放大之后，通過耦合變壓器耦合到EUT的輸入正線上。示波器用來監測耦合信號的大小，由監測設備監測EUT輸出的信號，觀察被測件是否有工作正常、性能下降或者出現故障現象。

根據耦合變壓器的原理可知，耦合變壓器實際上是由兩個線圈組成，分別稱之為初級和次級，初級和次級電壓分別記為U2、U1，簡化圖如圖2所示。CS101試驗中功率放大器端連接的是初級，EUT的輸入電源線連接的是次級。初級和次級線圈匝數比為2：1，電壓比為2：1，即U2：U1=2：1。

正常情況下，耦合變壓器次級端子間是沒有電壓的，即U1=0。由于某些EUT工作時，電路中電容電感發生了諧振，會在電源線上產生一個較大的諧振電壓，導致耦合變壓器次級端子間電壓U1不為零。此時初級電壓U2=2U1，即耦合變壓器初級會產生一個2倍次級的電壓。實際中，由于功放輸出端的安全電壓（5V）遠遠小于U2，若把功放的輸出端接到耦合變壓器初級上，功放則會損壞。

2 方案比較

由于U1是EUT電路諧振產生的，在不改變EUT電路和CS101測試布置的前提下是無法消除的。想要保護功放，只能盡量減小U2的值。下面兩種方案都可以實現這個目的。

2.1 抵消保護法

新標準GJB151B-2013中推薦了一種方法。該方法采用一個等效EUT的假負載和一個附加的耦合變壓器，以使其感應電壓等于注入耦合變壓器的感應電壓，幅值相同但相位相反。這時耦合變壓器初級兩端的電壓剛好抵消，即U1等于零。但該方法并不完美，該方法要求假負載與EUT流過的電流相同，并且功率因素一樣，這很難實現。因為不同EUT具有不同的電流和功率因素。其次該方法只在交流電源輸入的情況下有用，不適用于直流供電的EUT。此外該方法需要兩個耦合變壓器，提高了試驗成本。

2.2 分壓保護法

為了解決上述方法的缺點，本文提出一種分壓保護法方法，通過在耦合變壓器的初級與功放間串聯和并聯電阻，來實現減小U1的目的。兩個電阻均為可調電阻，通過電阻分壓來減小U1。下面對功放保護電路的具體原理進行分析。

耦合變壓器實際上是由兩個電感組成。耦合變壓器初級可以看成一個電源，電源的內阻為2Ω，電源電壓為U，功率放大器的內阻為R1，串聯電阻為R2，并聯電阻為R3，對應的電壓分別為UR1、UR2和UR3。電路原理圖如圖3所示。

2.2.1 并聯電阻的作用

根據歐姆定律，可以得到耦合變壓器的初級輸出電壓

UR3=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

從公式（1）可以看出，當R3=∞時，UR3=U;即當該電路不接并聯電阻R3時，耦合變壓器的初級輸出電壓就等于感應電壓U。同時，R3越小，UR3就越小。因此，并聯一個阻值較小的電阻，可以有效的降低UR3的值，但R3太小容易造成功放輸出短路。試驗時，R3值應從大慢慢調小，直到UR3的有效值小于5V為止。

2.2.2 串聯電阻的作用

根據歐姆定律，可以得到功率放大器內阻兩端的電壓

UR1=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

從公式（2）可以看出，當R2=0時，UR1=UR3;即當該電路不接串聯電阻R2時，功率放大器內阻兩端的電壓等于耦合變壓器的初級輸出電壓。同時，R2越大，UR1就越小。因此，串聯一個阻值較大的電阻，可以有效的降低UR1的值，但R2太大容易造成功放輸出效率降低。試驗時，R2值取決于功放的內阻大小和輸出功率。

3 方案實施

試驗中應用分壓保護法時可分以下五個步驟實施：

（1）按照標準要求的試驗配置，連好線。先不接功率放大器，給EUT上電，使EUT正常工作。

（2）用示波器監測耦合變壓器初級的電壓。如果該電壓的有效值大于5V，給EUT下電，在耦合變壓器的初級并聯一個最大阻值為1Ω的可調電阻R3。R3的初始值設為1Ω。

（3）給EUT上電，使EUT正常工作。用示波器監測耦合變壓器初級的電壓。如果該電壓的有效值小于5V，直接進入下一步驟。如果該電壓的有效值仍大于5V，減小R3的值，直到小于5V為止。

（4）給EUT下電，在功率放大器的輸出端串聯一個最大阻值為1Ω的可調電阻R2，R2的初始值設為1Ω。

（5）給EUT上電，使EUT正常工作。按照標準要求的方法，給EUT施加干擾。如果試驗過程中功放的輸出功率不夠，適當減小R2的值即可。

4 試驗驗證

下面用一個實例來說明該功放保護方法的有效性。某產品為220V，50Hz供電，其正常工作后，由于諧振的原因，在耦合變壓器的初級產生一個有效值為70.3V的電壓，如圖4所示。很明顯，電壓遠遠大于5V，功放不能直接連接到布置圖中。

采用本文提出的分壓保護法，在耦合變壓器的初級先串聯一個最大阻值為1Ω的可調電阻。此時初級電壓降至13.3V，如圖5所示。接著把串聯電阻調為0.5Ω。初級電壓降至3.43V，如圖6所示。

通過上述試驗可以看出，分壓保護法作用非常明顯。經過分壓之后，耦合變壓器初級電壓直接從70.3V降低到了3.43V，達到了安全范圍值。

5 結語

本文以GJB152A-1997、GJB 151B-2013、中CS101試驗中遇到的功放容易燒壞的問題，經過原因探究、方案比較、原理分析、方法實施、試驗驗證，提出并驗證了一種可以對功放進行有效保護的方法。該方法不僅適用性廣，易于實現，可操作性強，同時緊密聯系實際，能夠有效地對功放進行保護，具有很大的實用價值。

參考文獻

[1] 國防科技技術工業委員會.GJB151A-1997軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求[S].北京：中國標準出版社，1997.

[2] 國防科技技術工業委員會.GJB152A-1997軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求北京[S].中國標準出版社，1997.

[3] 中國人民解放軍總裝備部.GJB151B-2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量[S].北京：中國標準出版社，2013.

Research on Power Amplifier Protection Method of CS101 Test

FU Xiao-ye，ZHANG Rong-rong，LI Jin-rong，ZHANG Yu

（Guizhou Aerospace Measurement and Testing Technology Institute，Guiyang Guizhou? 550009）

Abstract：According to the " Electromagnetic emission and susceptibility requirements and measurements for military equipment and subsustems" （GJB 151B-2013）， the protection of the power amplifier is a problem that cannot be ignored when performing the CS101 test. In this paper， a method of voltage division protection is proposed in combination with practice， and the specific implementation steps of CS101 test under this method are given. The experiment proves that this method is feasible.

Key words：CS101;power amplifier protection;conduction sensitivity