浅谈EMC设计的BCI抗扰度预测试与诊断分析

BCI（bulk current injection）抗扰度测试特别适合狭小、密闭空间铺设复杂线缆环境的电子设备的射频扰抗扰度性能评估，因此被车载电子零部件、军标、航空电子设备这些产品应用电磁环境严酷而可靠性和安全要求极高的产品类标准引用做为射频抗扰度评估的一种通用测试方法。

BCI能对所有的线缆在很宽的频带内进行高功率的射频能量注入，对于电子设备的抗扰度设计是很大的挑战；同时测试、诊断分析以及方案验证都需要依赖标准商业实验室资源，对研发成本支出也有很大影响。因此产品开发的BCI风险不容小视，尤其在缺乏BCI设计经验和有效的工具和方法的情况下。

通过应用和扩展BCI基本原理方法，一种研发场地进行BCI预测试和BCI问题诊断分析设计的方法可以帮助EMC工程师在开发早期就能在研发场地快速建立BCI预测试和诊断能力，有效减小研发风险。

BCI测试的基本原理

基础标准ISO 11452-4: Road vehicles — Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy —Part 4: Harness excitation methods，对BCI的测试进行了详细定义，在此不再进行详述。

BCI的基本原理是通过电流互感器对设备的线缆进行耦合注入，产生的共模电流沿着线缆进入设备内部，模拟了电磁环境的射频能量干扰的注入。BCI一般使用替代法进行，注入到电流注入钳的功率是通过100Ω系统内校准得到的确定的功率，可以参考以下的框图。

图一 BCI抗扰度的框图和功率计算

以BCI抗扰度最大测试等级106dBµA即200mA为例进行分析。由于测试系统为100Ω（相比之下IEC61000-4-6传导抗扰度测试系统的300Ω），BCI实际注入整个系统的功率为：

P=I*I*R=0.2*0.2*100=4W=36dBmW

对于EUT端口的实际注入功率为：

P/2=2W=33dBmW

由于BCI采用电流注入钳的耦合效率在-7dB~-20dB，功放输出的衰减器和定向耦合器也需要-6dB损耗因此标准BCI测试需要的功放功率要接近50dBmW以上，一般需要200W以上的功放才能进行全频段BCI抗扰度200mA测试。

研发BCI大电流注入的预测试方法

由于标准BCI测试实验室需要很大的设备投入和维护，广大中小企业并不具备建设条件。预测试的方法可以在较小的设备的固定投入下达到200mA注入等级，是一种较好的解决方案，但是与标准实验室相比需要要依据现实约束条件进行相应的简化，如：

1.与CISPR25的发射测试台共用进行BCI测试，不建造标准屏蔽室；

2.使用100W的小的射频功率放大器，并且功放输出采用3dB衰减器；

3.使用闭合的电流注入钳替代开口的电流注入钳以便达到更高效的耦合；

4.手动进行校准和测试操作减少控制设备和软件投入。

BCI的预测试的方法主要是在BCI电流注入钳上进行了特殊设计，通过提高电流注入耦合效率和减小阻抗匹配的衰减系数就能够以低功放功率满足要求。

图二MIL-STD-461E军标对于注入探头的插损要求

从上图的标准曲线图可以看电流注入钳的耦合能力在低频段较弱，也就需要更大的注入功率才能满足要求。在BCI预测试方法中采用大口径封闭电流注入钳替代开口的注入钳来实现低频耦合能力的改善降低功放功率要求。

图三 开口与闭口电流注入探头耦合系数的比较

由于闭口型电流注入钳内部磁芯不存在气隙，因此全频带耦合能力优于开口型，500kHz以下频率尤为明显，同时内部完整的磁芯相比开口的半圆的磁芯也能够传输更大的功率，但闭口型注入钳需要更大的内径以便线缆从中穿过。

图四 注入电流探头的插损校准

图上闭口的注入电流钳内径90mm，采用带跟踪源的频谱仪和夹具插损测量，结果显示闭口注入钳的耦合带宽和平坦度以及耦合效率高于开口注入钳。通过使用闭口注入钳能够大大降低低功放的最大功率要求。

图五 BCI预测试的功放校准和BCI校准

在研发场地进行BCI预测试除关键的电流注入钳和功率放大器之外还需要很多基本的设备：金属接地参考面、相应调幅调频能力的射频信号源、100W的3/6dB衰减器、测试射频信号的频谱仪和观测信号波形的示波器，夹具，以及相应的辅助电源、散热、同轴电缆、信号衰减器等。使用这些设备组成预测试系统并进行200mA注入校准之后可以得到相应的信号源输出电平列表，按照相应的信号电平输入就能完成BCI的开环替代法测试。由于场地、功放和电流注入钳的设备投入大大小于标准实验室，同时也不需要控制软件，因此预测试系统的整体固定资产投入很低，对于广大中小企业的研发投入压力并不大，而实践显示该预测试系统与标准测试实验室测试结果一致很高，完全可以用于研发阶段的开发测试。

研发BCI大电流注入的诊断分析方法

当测试发现BCI的问题时，用于分析的有用信息只有敏感的线缆、频段、电流等级以及失效表现，这些信息是诊断和解决BCI问题的必要但非充分条件，因此不能100%解决BCI问题。对于一些无屏蔽或无滤波的电子设备，BCI问题的解决完全依赖于分析出干扰的路径和受扰的具体电路，这就需要引入更加直接和高效的BCI分析工具。

由于BCI只是射频注入的一种手段，而射频能量的注入才是真正的目的，因此我们可以通过直接注入射频能量的方式来复现BCI出现的问题。在此推荐采用直接注入和电压探头注入的方法将射频能量直接注入到电路内部，使得BCI问题的诊断能够进入到PCB板级和电路级，将问题分析由黑盒变为白盒。

传导抗扰度IEC61000-4-6中采用直接注入的方法对屏蔽层进行注入，采用的是100Ω同轴电阻（50Ω-150Ω转化器）注入。参考这种方法，BCI直接注入可以使用隔离电容隔直之后不仅可以用于屏蔽层还可对电路进行直接射频注入。由于200mA的BCI注入的实际功率为2W，采用一般5W的小型宽带功放就能满足直接注入的要求。

图六 直接注入的BCI分析方法

上图是对小型电路进行200mA BCI抗扰问题分析的布置。功放输出的射频能量5W，经过3dB衰减器（衰减2.5W）之后再通过隔直电容就可以安全的注入到低压电路内部，通过辅助设备同步观察电路在注入的状态下的性能表现来进行抗扰能力评估。这种方法非常适合深入评估分析硬件电路的BCI性能，能够发现出潜在的问题点，并且直接验证解决方案的合理有效性。

对于较大的电路或系统，推荐采用共模电压探头注入的方式进行线缆端口和电路内部的直接注入。EMC基础标准CISPR16-1-2引入了用于一些特殊情况下的传导共模电压测量的电压探头，但这个标准电压探头的共模阻抗为1500欧并不适合直接注入。通过设计更低阻抗的电压探头就可以实现射频能量的注入，这对于分析解决传导问题、传导抗扰度问题提供了新的思路和方法。

 

探头类型	CR	IL	阻抗	耐压
150Ω  3dB型	22nF+3dB	150kHz-1000MHz 3dB	150/50欧	2kV
60Ω  10dB型	22nF+10dB	150kHz-1000MHz 10dB	60/50欧	2kV

 

表中两种不同共模阻抗和衰减系数的射频电压探头分别可以适用于不同的抗扰度的诊断分析，如用于进行传导抗扰度的注入、BCI注入或是辐射抗扰度射频注入，也可以用于传导辐射发射的问题诊断。

在预算受限的情况下，甚至可以不需要进行电流注入钳和大功率宽带功放的投资，使用电压探头和5W小功率宽带功放对外联线缆的端口电路进行直接射频能量注入就能实现200mA的BCI抗扰度评估。这种预测试方法的方便快速、成本低廉，对设计早期分析和识别BCI问题设计和解决BCI问题有非常重要的作用，但对EMC工程师的设备操作和诊断分析能力要求较高。

抗扰度问题的解决都有赖于发现最终受扰的敏感电路，通过射频直接注入才能够得到扎实有力的测试数据，避免解决含糊带过的解决问题。直接注入和电压探头用于BCI问题诊断分析的基本操作可以参考如下流程：预测试发现BCI问题和敏感频点→ 对问题进行确认，对敏感等级进行确认→ 使用电流探头注入线缆，确定受干扰敏感线缆，排除不敏感电缆，初步判断路径→ 使用电压探头进行端口射频注入探测精确敏感端口电路和位置→使用直接注入方法对PCB内部敏感电路进行探测，寻找解决方案并快速验证效果→在线缆级和系统级验证方案的有效性。

这种针对BCI抗扰度提出的预测试和诊断分析的方法还可以用于传导抗扰度、辐射辐射抗扰度的预测试和诊断分析。对于研发EMC工程师在研发过程中控制EMC风险高效进行EMC设计有非常好的作用，在此推荐给大家。

审核编辑：黄飞