探讨电子电器产品工作电压测试中容易忽视的七个关键问题

1、探讨电子电器产品工作电压测试中容易忽视的七个关键问题威凯检测技术有限公司 陈永强，陈灿坤广州 510663摘要：本文探讨了电子电器产品工作电压测量时，电源L/N极性、TN-S供电网络、示波器接地、示波器探头、示波器信号耦合方式和信号采集模式、不同波形的电压有效值与仪器输入阻抗等容易忽视的七个关键问题，解读电子电器产品标准关于工作电压的测试要求。关键词：电子电器、工作电压Explore Key Understandings of Working Voltage Test for Electronic and Electrical Appliances which are easy to be i

2、gnoredAbstrat:This paper discusses the key understandings of working voltage test for electronic and electrical appliances which are easy to be ignored, such as Polarity of supply, TN-S supply network, Oscilloscope grounding, Oscilloscopes probe, Signal coupling mode and acquisition mode of oscillos

3、cope, r.m.s value of different voltage wave and the instrument input impedance. Through this paper, better understanding of the requirements of working voltage measurement concerning the standards of electronic and electrical appliances can be achieved.Key words: Electronic and Electrical Appliances

4、 ； Working Voltage测量电子电器产品初、次级之间工作电压是电子电器产品合格评定的必要环节，但是从近年来国内组织的能力验证结果发现，参与的实验室中有接近一半的实验室对工作电压的测试方法认识存在缺陷，在工作电压测试中经常忽略了以下几个关键问题：问题1：电源L/N极性间接法的互换对工作电压测试结果的影响是否需要考虑？问题2：TN-S电源网络对工作电压测试结果是否有影响?问题3：工作电压测量过程中示波器是否需要接地？问题4：示波器探头对工作电压测试结果是否有影响？问题5：示波器的信号耦合方式和信号采集模式对工作电压测试结果是否有影响？问题6：不同波形的工作电压如何选取有效值与真有效值？

5、问题7：测量电压仪器输入阻抗对工作电压测试结果的影响是否需要考虑？非常有必要深入讨论上述7个问题，统一国内合格评定实验室电子电器产品工作电压的测试方法。一、标准理解由GB4943.1-2011信息技术设备安全第1部分:通用要求标准第2.10.2.2条（有效值工作电压）可知产品的最小爬电距离取决于有效值工作电压。工作电压的有效值包括任何直流分量，对所有的波形都应当使用测得的有效值。由GB4943.1-2011标准信息技术设备安全第1部分:通用要求第2.10.2.3条（峰值工作电压）可知产品的最小电气间隙和抗电强度的测试电压取决于工作电压的峰值参数。工作电压的峰值参数包含了所有直流成份和重复性脉冲

6、峰值电压，对所有的波形都应当使用测得的峰值。GB8898-2011 音频、视频及类似电子设备安全要求、GB4706.1-2005 家用和类似用途电器的安全要求第1部分：通用要求关于“工作电压”的术语和要求与GB4943.1-2011内容一致。不难发现电子电器产品的最小爬电距离、最小电气间隙和抗电强度试验电压都跟工作电压的测量值有关，如何准确测量电子电器产品的工作电压已经成为衡量实验室检测能力的一项重要指标。根据GB4943.1-2011信息技术设备安全第1部分:通用要求标准第1.2.9.6条工作电压的定义和第2.10.2条工作电压的测量要求可知，测试工作电压过程中，第一个测试要点是让被测样品的

7、工作状态处于“正常使用的工作条件下”。第二个测试要点是：“考虑绝缘或元器件所承受到的最高电压”，即各种正常使用的工作条件下测量到的“最高”电压。但是从各类能力验证结果发现，有接近一半的实验室或多或少对工作电压的测试方法及定义存在不足，在工作电压测试中经常忽略了几个关键性的问题，非常有必要进行详细分析并统一思想。二、工作电压测试中经常忽略的七个关键性问题问题1：电源L/N极性间接法的互换对工作电压测试结果的影响是否需要考虑？如图1所示，一个II类的电源适配器在国内销售，使用如图2所示的单相两极不可拆线插头与对应的插座配套，在日常使用中就存在正接和反接的现象（不同的使用者将插头插入插座的方向不同）

8、，都可以让电源适配器处于正常工作状态。然而采用不同接法的电源适配器，在其初、次级之间测试到工作电压值却截然不同。 图1：II类的电源适配器 图2：单相两极不可拆线插头从图3、图4变压器工作原理图，可以理论分析出电源L/N极性间接法的互换对电源适配器产品工作电压测试结果的影响。图3：插头正接表1：插头正接的理论结果插头状态极性状态共地点测试点理论值（V）插头正接A= LB+DAB220AC208AD220B=NBC12BD0CD12图4：插头反接表2：插头反接的理论结果插头状态极性状态共地点测试点理论值（V）插头反接A=NA+DAB220AC12AD0B=LBC233BD220CD12结论：电源

9、L/N极性间接法的互换对工作电压测试结果存在较大影响，因此在工作电压测试过程中，应该要考虑插头正接或反接两种状态对测试结果的影响，建议选取两种状态下测得的“最大工作电压值”作为最终的测试结果。问题2：TN-S电源网络对工作电压测试结果是否有影响?首先需要明确配电系统代码的含义：第一个字母配电系统与地的关系第二个字母设备的接地后续字母中线和保护导线的配置T表示一极直接连接到地T表示设备直接电气连接到地，而与配电系统的任何一点接地无关S表示保护接地功能是由中线分出的导线或由接地的相线（或交流配电系统中的接地相线）分出的导线来提供I表示系统与地隔离或某一点通过阻抗连接到地N表示设备直接电气连接到配电

10、系统的接地点（在交流系统中，配电系统的接地点通常是中性点，或如果无中性点，则接地点通常应当时某一根相线）C表示中线功能和保护功能合并在一根单独的导线上（PEN导线）TN-S配电系统是直接接地的系统，设备上需要接地的零部件通过保护接地导体连接，在整个系统中使用一根独立的保护导体。TN-C-S配电系统是直接接地的系统，设备上需要接地的零部件通过保护接地导体连接，在系统某一部分中，中线功能和保护功能合并在一根单独的导线上。表3：配电系统代码含义如何判定实验室的供电系统是否属于TN-S网络？（1） TN-S系统的中性线（N）与保护线（PE）是分开的；（2） 当电气设备电压输入相线与外壳相碰时，将导致直

11、接短路，可采用过电流保护器切断电源；（3） 将N线强制断开，如果三项负载不平衡，将导致中性点的点位快速升高，设备外壳无电位，保护线PE也无电位；（4） TN-S系统中保护线（PE）必须重复接地，以防止保护线（PE）断路造成的危害。如何在工作电压测试中实现TN-S网络供电？如图3所示，在接线过程中，将稳压电源输出端连接自耦变压器供电样品，并且将自耦变压器的N端与G端相连，保证在测量过程中样品B端、D端与电源G端，N端相连，以获得隔离变压器初级、次级两端“共地”参考电位。否则，由于隔离变压器“感应”测得的初级B与次级D之间电压是“浮地”的振荡电压。有意地断开TN-S网络的G与N线之间的短接线，用数

12、字万用表会测得一组正弦波，幅值为0-10伏间波动，相位在不断发生变化。结论：TN-S电源网络对工作电压测试结果是有影响的，特别是供电设备与检测样品间是否共地连接不能马虎。问题3：工作电压测量过程中示波器是否需要接地？将示波器正确接地对于测试人员的自身安全和示波器仪器的安全，以及精确测量来说，都是非常重要的。在电子电器产品工作电压的测量中最有代表性的是对开关电源的测量。开关电源的结构具有以下几个特点：开关变压器一次和二次电路间具有良好的隔离性是不共地的，开关电源工作电压的频率含有大量高频成分，且工作电压的幅值较高、电压波形变化较大。某代表性开关电源产品的工作电压波形如图5。图5：某代表性开关电源

13、产品的工作电压波形根据以上特点，采用数字存储示波器测量开关电源的工作电压是合最佳的解决方案。但是，示波器正常使用时其保护地是连接到市电的保护地，探头的接地端也接到市电保护地。而开关电源的功率器件是不与保护地连接，且一次和二次是不共地的，测量工作电压时，示波器探头的接地端会与功率器件的电压形成一个回路，将会把被测样品或示波器探头烧坏（俗称“炸机”）。部分实验室的错误做法是：把示波器的交流主电源线中的地线断开，并将探头地线接到测试点上。这个做法将使得仪器底盘（不再接地）的电压与探头地线相连的测试点电压相同。误触摸仪器外壳就会形成最短路径的导通电流路径。如图6所示：图6：示波器主电源不接地，探头地线

14、接到测试点的示意图而且把示波器的保护地断开后获得的测量结果也存在较大误差。交流供电设备在地面浮动时会受到一个大的寄生电容干扰，测量结果将受到振荡破坏。波形如下图7所示：图7：受到振荡破坏影响的工作电压测试波形结论：工作电压测量过程中示波器必须接地。问题4：示波器探头对工作电压测试结果是否有影响？示波器的探头分为无源探头和有源探头，下面分别分析这两种探头的优缺点和适用范围。无源探头又分为两种，一种是低阻分压探头，价格便宜，阻抗450或950，负载效应明显，带宽可达6GHz以上，但由于低阻分压探头与被测样品构成了分压电路，影响被测电路电压，不适合精确幅度测量，在此不做详细讨论。另一种高阻无源探头也

15、称为衰减探头，特点是价格便宜、耐用，测量电压范围广，阻抗=1M，典型带宽可从100MHz延伸到500MHz，具有较高的动态范围，衰减倍数常为1X和10X。由于探头中没有有源器件（晶体管或放大器），因此无需为探头供电。典型的高阻无源探头的电路如图8所示，高阻无源探头的一个重要特性就是带宽随电压等级提高而降低（见图9所示）。图8：典型的高阻高阻无源探头电路图9：高阻无源探头的带宽随电压等级提高而降低有源探头的工作原理见图10所示，是阻性负载和容性负载的最佳组合，又分为有源单端和差分探头，特点是容性负载小。有源电压探头包含有源器件，通常是一只场效应晶体管，场效应管输入的优点是提供一个很低（典型值小于

16、1pf）的输入电容。低电容意味着高的输入阻抗，所以有源探头一般具有从500MHz直到4GHz的带宽。有源探头的优异特性是由其前端的放大器带来的，但是这个高带宽的放大器又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本较高。图10：有源探头的工作原理图有源探头里还有一个分支是差分有源探头，如下图11所示。其前端使用的是差分放大器。差分探头优点：1)、抗干扰能力强；2)、能有效抑制EMI；3)、时序定位精准。差分探头可直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力也较好。.图11：差分探头的工作原理图在分析完无源和有源探头后，还有一个值得关注的问题：探头负载阻抗对被测信号的影响和阻抗匹配

17、。如图12所示，由于探头负载的影响，信号源输出电压为负载阻抗与电压源阻抗之比的函数。探头负载阻抗越大，输出电压越高。越高的阻抗输入，可将负载影响减至越小，测量工作电压的精准度也就越高。信号源输出功率为探头阻抗与信号源阻抗之比的函数。当两个电阻越接近，输出功率越大。因此应当保证工作电压的测量系统中全部输入/输出/电缆和负载具有较近的电阻阻抗，才能使得工作电压的精准度越高。图12：探头负载阻抗对被测信号的影响和阻抗匹配工作电压测试过程中还有一个很关键的就是如何调节示波器探头的补偿电容？对于示波器探头来说，输入阻抗尽量高，同时还要求在整个测试通频带中，探头的分压衰减尽量不变。要满足这个要求，不能仅仅

18、使用简单的分压电阻，还需要结合使用分布电容。但是使用了分布电容就会造成高频信号严重衰减，即示波器显示出的高频信号失真（最典型的就是脉冲上升时间变慢)。为此示波器探头都会强调采用高频阻容补偿分压器。如图13所示。图13中R1、R。为分压电阻(R。包括下一级的输入电阻)，C。为下一级的输入电容和分布电容，C1为补偿电容。图13：探头阻容补偿分压器其中 式1 式2则分压比为 式3当调整探头电路中的可变电容元件c ，使R。C。=R1C1。则式3 中的比值为定值，即达到对探头分压比均匀不变的要求。探头接入示波器应该做的第一件事就是调整探头补偿以及屏幕分辨率。否则将导致测量误差，而在实验中，出现波形不平滑

19、，而且线条很粗，此时调整补偿电容C1，使式3中值达到定值时即调成标准的正弦波。图14依次为过补偿、欠补偿及最合适的补偿的图形。图14：过补偿、欠补偿及最合适的补偿的图形结合问题3和问题4不难得出结论：采用示波器不接地+普通无源探头的测试方案会带来人身安全危险、损害样品的危险以及测量结果的不准确等问题，是错误的示波器使用方法。上述情况有两种解决方案：1、采用专用的浮动测量示波器，比如泰克的TPS2024B浮动测量专用示波器。由于精确性较差，不适合电子产品工作电压的精确测试。2、为了获得精确的数值，确保示波器和正在测试的电路共用同一个地。测试中将示波器的地端与TN-S电路中的地端相连接，确保工作电

20、压的准确性。因此在进行工作电压测量时，如图15所示为了保证测量的准确性，最理想的测试方法是：采用差分探头，使接地示波器可以进行浮动测量，探头系统作为一个整体与示波器的机壳接地端隔离。为了提高测量的准确度要注意以下几点:1)探头之间的环路减小到最低程度。2)为了避免空间辐射噪声，示波器探头应该远离辐射源、磁场、信号发射源等干扰源，测试线缆不要缠绕。3)使用差分探头过程中，将正负极线缆耦合并接，以消除共模噪声干扰。图15：采用差分探头和示波器接地的工作电压测试网络问题5：示波器的信号耦合方式和信号采集模式对工作电压测试结果是否有影响？耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。表4：示波器的

21、耦合方式耦合控制方式特点DC耦合为信号提供直接连接的通路，因此信号的所有分量（AC和 DC）都会影响示波器的波形显示。AC耦合在BNC端和衰减器之间串联一个电容。信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。使用示波器的AC耦合方式对信号进行测量时，在信号刚接入示波器的瞬间，往往能观察到信号的DC分量，经过一段稳定时间之后得到的才是纯AC的测试结果，这种现象是示波器电路的零状态响应造成的。示波器内部用一个串联在信号通路上的隔直电容实现AC耦合功能，由信号、示波器组成的电路，其简化的等效形式如图16：图16：示波器耦合电路简化图其中，Udc是被测信号的直流成分，可等效为一个理想

22、电压源；C是隔直电容，它上面的电压降用Uc表示；R是后级负载的简化，它上面的电压降用U表示，也就是测量值的DC分量。图中的S为开关，S的通断代表信号是否接入示波器。假设信号在t=0时接入示波器电路，则t0，S是断开的；t0时，S是闭合的。由于t0时，电压源Udc尚未接入电路，电路中无源元件的电压、电流状态均为0，该问题可使用零状态响应的方法进行分析。利用基尔霍夫定理，回路中的电压和为零，可以得到：根据(6)，U的值不可能一上来就是零，而是一个呈指数衰减的过程，衰减的时间常数为RC，也就是说，隔直电容和后级负载的等效阻抗值，决定了U的收敛速度。从直观上理解，电容是一个储能元件，它上面的电压不可能

23、发生瞬变。在进行工作电压测量时，为了保证测试的准确性，需要同时考虑直流分量和交流分量，因此工作电压测试中建议采用的耦合方式是DC耦合。在示波器的信号采集模式里有取样、峰值检波、包络、平均值四种采集模式表5：示波器的信号采集模式采集模式取样峰值检波包络平均值特点用于常规采集检测毛刺并减少假波现象的可能性捕获一定时间间隔内的信号偏差。减少信号显示中的随机或不相关的噪声。用途取样采集模式用于以任何秒/格设置进行最快采集。用于限制假波现象的可能性。还可以用于毛刺检测，可看到窄到1ns的毛刺用于在指定个数的采集值中捕获一个信号的最大和最小极值。当每次N个采集完成后，包络波形采集会清除，然后重新开始。可减

24、少要显示信号中的随机噪声或不相关噪声。平均波形是指定数目采集值得动态平均。优缺点取样模式是默认模式仅在125MS/s以下的取样速率时有效。对于250MS/s和更高的取样速率，示波器将恢复到“取样”采集模式，这时最窄的可检测脉冲宽度为1/（取样速率）如果按单词序列按钮，包络采集在N个采集后停止。使用通用旋钮设置采集数目。如果按单词序列按钮，平均采集在N个采集后停止，使用通用旋钮设置采集数目。取样图示图17图18图19图20图17：取样模式图18：峰值检波模式图19：包络模式图20：平均值模式将稳压供电电源输出140V，使用泰克生产的TDS3052B示波器，（示波器本机阻抗1M，配合适用差分探头型

25、号为TT-HV 150,100X，差分探头输入阻抗100M，选择不同的采集模式，工作电压的波形会有所不同。表6：实际案例中不同采集模式的对比采集模式波形显示取样峰值检波包络平均值稳压电源输出140V，正弦波电压峰值的理论值应该是140V1.414=197.96V，稳压电源的输出电压存在尖峰或毛刺，所以导致在取样、峰值检波、包络三个模式下测试出来的峰值电压大于理论值，只有平均模式条件下能够满足要求。结论：在峰值工作电压的测试过程中，示波器采样模式的选取对工作电压的测量准确性有着确定性的作用。问题6：不同波形的工作电压如何选取有效值与真有效值？有效值：r.m.s，理解为对于交流电的有效值相当于在相

26、同的电阻上获得相同功耗的直流电压或电流。因为是交流电，所以不能直接用瞬时值来代替有效值，必须用时间平均（积分）的方法以获得正确的结果。对于常见的一些信号波形，下表列出其一些参数。波形名称波形图有效值平均值波形系数波峰系数正弦波半波整流的正弦波2全波整流的正弦波三角波锯齿波方波1111脉冲表7：部分信号波形的参数其中：T为信号的周期，为脉冲信号的脉宽；假定信号的幅值为1有些测量电压的仪表就利用了上述的转换原理，知道了信号的波形系数和波峰系数之后，就可以对确定信号进行不同值之间的转换。例如，用万用表的交流电压档测电压有效值时，只要测出信号的平均值再乘以1.11即可得出其有效值。但是这仅仅限于正弦波

27、信号才是正确的，对于非正弦波则读数将不正确，测出的并非信号真正的有效值。所以带出了真有效值的概念，true r.m.s，即真正的有效值。其实际算法与有效值r.m.s相同，对于标准的正弦波而言，两者完全相同。对于其他非正弦波的波形，强调测量其真有效值才有一定的意义。对于任意周期信号其有效值都定义为。假设非正弦周期信号可以分解为：，则其有效值可以表示为：根据三角函数的正交性可以得到：由此可见，对于任意周期函数，其真有效值等于它的恒定分量和各个谐波分量有效值的平方和的平方根。结论：如果输出信号为非正弦波信号，工作电压的测量值必须测量其真有效值，而测量真有效值就必须要求仪器仪表的内部有能够实现这种信号运算的芯片或者电路