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标题: 组建一个电磁兼容实验室的方法 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 13:37
标题: 组建一个电磁兼容实验室的方法
产品必须符合EMC(电磁兼容)要求，欧洲规定：销售违反电磁兼容法令(89/336/EEC)的产品将面临高额罚款，因此，商家越来越重视产品的电磁兼容性问题，为了降低成本，要根据公司需求和规模的不同，组建一个EMC实验室，本文介绍建设公司内部EMC测试设备的优点、缺点和方法。

组建一个电磁兼容实验室的最小需求取决于公司的需要和财务状况。通常，公司将力求节省经费(在设备和人力资源两方面)，并尽量降低风险。但有一点必须明白，世界上不会有“低成本、低风险和低EMC技术”这样的好事。工程师必须掌握高度的技巧，才可能设计出具有相当性能的低成本设备。精度越低的产品，其风险也会越高。
在组建一个公司内部EMC实验室时，无论其规模大小如何，都必须遵从一些最起码的指导原则。首先，建成EMC实验室的房间或地方必须洁净，没有无关物品，完全专用于EMC测量。只要条件许可，绝对需要一个由金属制成并可靠连接大地的地参考平面；如果条件不允许(如房间不在第一层)，至少应该接保护地系统。实验室内的所有金属物体必须可靠接地或予以清除。电源系统必须“净化”(在电源进入EMC实验室之前的某处正确接入线滤波器)。
EMC测试设备的配置
1) 传导发射测试---需要一台频谱分析仪(或EMI接收器)、电缆和LISN(线阻抗稳定网络，手工制作或外购)，如果可能的话，还应该有一个屏蔽房间(最起码有一个屏蔽帐篷)和一张距地面80cm的绝缘桌。
2) 辐射发射测试---需要同样的频谱分析仪或EMI接收器、一副天线、电缆和OATS(开放区域测试场地或(半)电波暗室)；为测量干扰功率而制作或外购的吸收钳。
3) 谐波测试(与闪烁测试)---如果要进行完全兼容测试，则需要专用设备(专用谐波分析仪)；但如果仅为评估的话，一台便携式谐波分析仪甚至一台能进行FFT评估的示波器就足够了。
4) ESD(静电释放)抗扰度测试---只有ESD枪才能可靠评估该项测试的结果。
5)

辐射电磁场抗扰度测试---需要与辐射发射测试类似的设备，此外还需要信号发生器、放大器、衰减器、场强仪，可能还需要一台计算机。
6) 传导骚扰抗扰度测试---需要的设备与1)和5)类似，另外再加上CND(异种耦合解耦网络)，但不需要天线。
7) 电快速瞬变(EFT/Burst)抗扰度测试。
8) 浪涌抗扰度测试。
9) 电源频率磁场抗扰度测试。
10) 电压骤降、短时中断与电压变化抗扰度测试。
从7) 到10)的最后四项测试需要专用设备，这些设备可从多个厂商买到。
值得注意的是，测量设备的制造商和经销商通常提供执行不同测试的包装和(或)全套装置，以及有关如何按照最新标准执行这些测试的指导甚至培训。请向最近的当地销售代表查询设备的性能和功用。大部分情况下，设备都有根据标准需求预设的测试程序，请首先阅读说明手册。
公司内部预兼容测试
预兼容测试并无定义，但最起码我们有理由假定测试必须在尽可能接近标准要求的条件下进行。
1) 传导发射的测试
多年来，电子产品制造商遇到的最困难的问题可能就是在传导发射方面，因此本文首先就此进行讨论。传导发射的测试装置如图1所示。
      这个装置是根据CISPR 22 (EN 55022)组建的，而且使用的设备必须符合CISPR 16-1的要求。该装置主要包括：EUT(被测设备)，如果它是台式的，必须安放在一个距地面80cm高的绝缘桌上；辅助设备(外设)，按正常使用方式连接，未使用的输入和输出必须正确端接，多余的电缆必须截短，或绕成直径30~40cm的一卷。频谱分析仪(或EMI接收器) 在0.15~30 MHz的频率范围内必须具有9kHz的分辨率带宽(RBW)。测量过程在CISPR 16-1和产品规范标准中有详细描述，如果正确执行，其结果与第三方实验室的测试将不会有太大出入。
2) 干扰功率测试
      干扰功率测试(30~300 MHz)方法与1)有点类似，但此时信号将来自吸收钳(而非LISN)。CISPR 16-1和产品系列标准详细介绍了测试装置。概括地说，就是将吸收钳放置在被测电缆(干线、直流、音频/视频)周围，并沿着一根6m长线移动，以查找每个频率点上的最大发射值。
      辐射发射测试装置如图2所示。

      虽然这项测试看起来似乎要比前一项测试复杂一些，但实际上并不特别困难。由图可见，EUT被安放在一张绝缘桌面的转台上，距地面80cm，以便在测试过程中通过转动EUT来找出最大发射值。天线安装在天线竿上，并可在1～4m之间移动，目的同样是为了找出最大发射值。EUT与天线中心(上有标记)的距离为3m或10m。接收器装置同样按照CISPR 16-1制作，在30~1000 MHz的接收范围内其分辨率带宽必须为120kHz。针对辐射发射测量，接收器可能有一个设定。
      对于上述的所有测量，需要注意在评估结果时必须将一些修正因子纳入考虑。首先，对于所有测量装置，±4dB为接受的不确定区间，这一点在CISPR 16-1的附录L中有所阐述。其次，电缆衰减和连接器衰减也必须予以考虑。但是除此之外，还有更多因素必须予以考虑。
      对于传导发射，必须考虑LISN的阻抗偏差及其容限。不过，它的最大误差只有2～4dB。吸收钳的情况就不一样了，其衰减在14～22dB之间，平均17dB。
      辐射发射测试中的因子最大，其NSA(归一化位置衰减)为-24～24dB。在这种情况下，无法进行任何近似，而且在执行测试时还必须使用天线因子。此外，根据设计实践经验，在将产品送往第三方实验室进行测试之前，还应当额外预留6dB的设计余量。
3) 谐波和闪烁测试
      谐波和闪烁测试没有环境方面的要求。只需将EUT连接到谐波分析仪的电源入口，并根据厂商的说明和标准的要求执行测试即可。同样，测试设备将包含一些已有的设置，但工程师必须确保这些测试设置符合自己产品的标准要求。如果评估时使用其他方法(如便携式电源谐波分析仪)，请仔细阅读标准要求，然后再评估测量结果。
4) ESD抗扰度测试
      ESD抗扰度测试对于大型设备可能并不是很重要。但在今天这个各种产品普遍小型化的时代，ESD测试已成为大部分设备的“关键”EMC测试之一，例如对便携式计算器、MP3和MD播放器、USB存储棒、音频设备等等。其测试装置如图3所示。
      由图可见，EUT仍然安放在一张绝缘桌上，位于HCP(水平耦合平面，由一种金属传导材料制成)上，并通过一个绝缘抗静电衬垫与其隔离。VCP(垂直耦合平面)和HCP分别连接到地参考平面，每个连接端各使用一只470 kΩ的电阻。对于EUT的每个侧面和VCP、HCP，以及EUT上每个用手能触摸到的金属表面，分别使用锋利尖端进行接触放电(直接放电)，通常每个极性 5次。对于机箱的所有塑料部分，则利用圆形尖端进行空气放电(间接放电)。
5) 辐射电磁场抗扰度的测试
      辐射电磁场抗扰度的测试装置与辐射发射测试非常类似，但是在这项测试中，信号发生器和功率放大器将馈送给天线，以便在EUT附近产生“均匀电磁场”(±6dB)(在频率范围80~1000

MHz、AM、1kHz、80％调制深度下为3V/m或10V/m)。需要注意的是，不同产品的频率范围也不相同。
6) 传导骚扰抗扰度测试
      传导骚扰抗扰度测试的目的是在EUT端口输入建立3V电平(有效值，150 kHz~230 MHz、AM、1kHz、80%调制深度)。信号发生器和功率放大器必须提供足够的功率，以便CDN能将信号耦合到被测线。由于测试项目3)、7)、 8)、9)、10)使用的是高度专业化的设备，如果实验室中有这些设备，工程师无需太多操作，只要正确连接EUT就可以了，最重要的任务是监控EUT的工作方式。
如何进行近场测试
      本文前面的介绍部分讲过，近场测试非常适合产品开发阶段。在这个阶段，标准测试方法或许能给出精确的结果，但却无法显示问题的来源所在。在挑选元件时，有些控制器芯片的辐射要比其他芯片低40dB，或具有更高的抗扰度。即使在产品开发完成，执行兼容测试未通过之后，标准测试方法也几乎无法给出有关问题来源的任何信息。在印制板一级，工程师们使用近场测试探针进行测量，也可能使用缺陷检测器等。然而另一方面也必须了解，近场测试探针(几乎)不能给出有关设备传导或辐射水平的任何信息，其误差为20～40dB。但近场测试探针可以保证一点：每次使用时，其测量结果总要好于前述的各种测量。为了通过近场测试探针大致了解产品是否能通过EMC测试，需要在已经确知结果的样品上进行多次尝试。
      图4(a)和(b)是一些磁场探针、电场探针和一根管脚探针的例子。它们的优点是容易制作，外购也相当便宜。它们都使用50Ω的电缆，并连接到一台(廉价的)频谱分析仪。
      近场探针用来拾取电磁场的全部两个分量。虽然市场上有一些非常灵敏的电磁场场强仪，但电磁场的近场场强并不太容易测量。它们无法给出辐射噪声频率成分的任何信息，但可以方便地指出“问题分量”。近场探针在连接到频谱分析仪时，还可给出频率成分信息。
      磁场探针提供一个与磁射频(RF)场强成比例的输出电压。利用这个探针很容易找到电路的射频源。不过，磁场的场强随距离迅速变化(成三次方关系)。另外，探针的方向至关重要，因为磁场方向一定是垂直于磁环路的。前面已经指出，探针将不会给出太多的量化信息，但对于某个元件 (IC、开关三极管等)，随着探针距离元件越来越近，探针的电压输出也将增大。即使周围有许多元件，通过研究原理图，设计者也可以很容易地辨认出噪声源。如果工程师决定更换元件，他将很容易测量出更换后的结果，这使得在开始时就选择可靠的元件成为可能。

      管脚探针允许直接在IC管脚或PCB的细导线上鉴别噪声电压。还能方便地判断滤波器的效果，尽管只是一种定性的判断。管脚探针可以在滤波器的前、后分别进行接触测量，并观察其效果情况。但工程师必须正确估计接触电容，并选择电容较小的探针(不大于10pF)。
      电场探针可拾取共模电压和需要的信号。共模电压是辐射电压的一个重要来源。此外，磁场探针无法拾取电场。可以证明，使用全部三种探针是有益和省时的。
本文小结
      本文介绍了拥有公司内部EMC测试设备的优点和缺点。总体而言，除了设备成本、占用空间，以及可能的人员培训这些投入之外，拥有EMC能力并没有什么不利。无论如何，EMC技术在产品开发中必不可少，公司必须以某种方式进行这方面的投资(如依靠第三方咨询公司的服务)，忽视它的代价将是高昂的。
参考文献：
1. CISPR 16-1 and CISPR 16-2 Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods.

2. EN 55022 Information Technology Equipment - Radio Disturbance characteristics - Limits and Methods of Measurement.

3. EMC Testing Part 1 to Part 6 by Eur Ing Keith Armstrong and Tim Williams.

4. HAMEG GmbH web site, www.hameg.de
作者：Radu Cristian Gosav

Jiangsu TüV Product Service Limited

Email: Radu.Gosav@tuvps.com.cn

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