一文詳解EMC測試實質(zhì)

電磁兼容測試技術(shù)簡介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容設(shè)計的領(lǐng)域日益擴大，電磁兼容問題也愈演愈烈，例如所受到電磁干擾，收音機無法正常工作，某些電子設(shè)備的數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，醫(yī)療電子設(shè)備工作異常，工業(yè)過程控制產(chǎn)生嚴(yán)重偏差或失誤，因此需要對電子產(chǎn)品電磁兼容問題進行研究。

另一方面，電磁兼容已經(jīng)由以前的發(fā)生后再被動處理發(fā)展到了主動在產(chǎn)品研發(fā)階段對其預(yù)先分析、預(yù)測和設(shè)計，成為設(shè)計階段的重要工作。國際社會上也有著嚴(yán)格的電磁兼容規(guī)范，歐共體從1996年就規(guī)定電器和電子產(chǎn)品必須符合電磁兼容性要求，加貼CE標(biāo)識才允許銷售，不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將被責(zé)令撤出市場，目前美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家均頒布了相應(yīng)法規(guī)。EMC測試項目中的兩大類分別是(1)電磁干擾EMI測試(2)電磁抗擾度EMS測試。本文將對其部分做以介紹。

一、基本的EMI測試項目和EMS測試項目都有哪些呢?

示例：EMI測試項目有(EMI是設(shè)備產(chǎn)生的)(1)電源線傳導(dǎo)(CE)騷擾測試;(2)信號、控制線傳導(dǎo)(CE)騷擾測試;(3)輻射(RE)騷擾測試;(4)諧波電流測試;(5)電壓波動和閃爍測試;EMS測試項目有(EMS是設(shè)備承受的)(1)靜電放電抗擾度(ESD);(2)電快速瞬變脈沖群抗擾度(EFT);(3)浪涌(SUGE);(4)輻射抗擾度(RS);(5)傳導(dǎo)抗擾度(CS);(6)電壓跌落與中斷(DIP),對于用于軍工的測試項目本文暫不做介紹。

二、EMC的測試實質(zhì)是什么?

輻射發(fā)射測試:實質(zhì)上就是測試立品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號。第一種是等效天線信號環(huán)路,這種輻射產(chǎn)生的源頭是環(huán)路中流動著的電流信號(這種電流信號通常為正常工作信號,是一種差模信號,如時鐘信號及其皆波),如圖1所示。如果面積為S的環(huán)路中流動著電流強度為I、頻率為f的信號,那么在自由空間中,距環(huán)路D處所產(chǎn)生的輻射強度為E=1.3SIf2/D,其中E為電場強度，S為環(huán)路面積，I為電流強度，f為信號頻率，D為距離。

圖1

電子產(chǎn)品中任何信號的傳遞都存在環(huán)路。如果信號是交變的,那么信號所在的環(huán)路都會產(chǎn)生輻射。當(dāng)產(chǎn)品中信號的電流大小、頻率確定后,信號環(huán)路產(chǎn)生的射強度與環(huán)路面積有關(guān)。因此,控制信號環(huán)路的面積是研究EMC問題的一個重要的課題。產(chǎn)品中產(chǎn)生無意射的另一種等效天線模型是單極天線,或?qū)ΨQ偶極子天線,這些被等效成單極天線或?qū)ΨQ偶極子天線的導(dǎo)體通常是產(chǎn)品中的電纜或其他尺寸長的導(dǎo)體。這種射產(chǎn)生的源頭是電纜或其他尺寸長的導(dǎo)體中(等效天線)流動著的共模電流信號。它通常不是電纜或長尺寸導(dǎo)體中的有用工作信號,而是 一種寄生的“無用”信號,研究這種產(chǎn)生共模射的共模電流大小是研究射發(fā)射問題的重點。如圖2所示,如果在天線上流動著電流強度為I、頻率為F的信號,那么,在距天線D處所產(chǎn)生的輻射強度為：

當(dāng)F≥30MHz,D≥1m并且L<λ/2時，E=0.63ILf/D，當(dāng)L≥A/2時,E≈60×I/D式中,E為電場強度(uV/m);1為電流強度(A);為信號頻率 (MHz);D為距離(m);L為電纜長度(m)。在電子產(chǎn)品中,除了產(chǎn)品功能電路原理圖所表述的信息外,還存在非常多的未知信息 如信號線與信號線之間的寄生電容、寄生互感,信號線與參考地之間的寄生電容,信號線的 引線電感等。這些參數(shù)都是頻率相關(guān)參數(shù),而且值都很小,在直流或低頻情況下,通常被設(shè)計者忽略。但是在射發(fā)射所考慮的高頻范圍內(nèi),這些參數(shù)將會產(chǎn)生越來越重要的影響。也 正是這些原因,使得產(chǎn)品中的這些等效天線(電纜或長尺寸導(dǎo)體)上寄生著一種非期望的 共模電流,它的電流強度很小(通常在mA級以下或A級),但卻是產(chǎn)生產(chǎn)品射發(fā)射的 主要原因(這種共模電流的產(chǎn)生原理將在以后的章節(jié)中進行描述)。當(dāng)產(chǎn)品中等效天線的長度大于天線中信號頻率波長的1/2時,天線產(chǎn)生的幅射強度只與天線上共模電流的大小有關(guān)。可見,研究產(chǎn)品中電纜或長尺寸導(dǎo)體中的共模電流大小,對于控制產(chǎn)品的射發(fā)射具有極其重要的意義。

傳導(dǎo)騷擾測試:LISN是電源端口傳導(dǎo)騷抗測試的關(guān)鍵設(shè)備,從圖3中可以看出,接收機接于LISN中的1k電阻與地之間,當(dāng)接收機與LISN進行互連后,接收機信號輸入口本身的阻抗50Ω與LISN中的1k電阻處于并聯(lián)狀態(tài),其等效阻抗接近于50Ω,由此也可以看出,電源端口傳導(dǎo)的實質(zhì)就是測試50Ω阻抗(這個阻抗由LISN中的1k的電阻與接收機的輸人阻抗并聯(lián)而成)兩端的電壓。當(dāng)阻抗50Ω一定時,電源端口傳導(dǎo)騷擾的實質(zhì)也可以理解為流過這個50Ω阻抗的電流的大小。在實際產(chǎn)品中有兩種電流 會流過這個50Ω的阻抗,一種是圖3中的Idm,另一種是圖3中的Icm。無論是哪個,都會在接收機中示出測試值,而接收機本身無法判斷由是哪種電流引起的傳導(dǎo)騷擾。這需要設(shè)計者去控制與分析?？刂飘a(chǎn)品中的抗電流不流過LISN和接收機并聯(lián)組成的50Ω阻抗是解決電源端口傳導(dǎo)騷問題的關(guān)鍵。通過大量的實踐證明, 大部分的電源端口傳導(dǎo)問題產(chǎn)生于Icm,它是一種共模電流,分析其路徑和大小有 著極其重要的意義。

圖2

三、EMC意義上的共模和差模指什么?

電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時由兩種形態(tài),即共模和差模。設(shè)備的電源線,信號線等的通信線,與其他設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線路,至少有兩根導(dǎo)線,這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號。但在這兩根導(dǎo)線之外還有第三個導(dǎo)體,這就是“地”。干擾電壓和電流為兩種:一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸;另一種是兩根導(dǎo)線作為去路,地作為返回路傳輸。前者稱為差模，后者稱為共模。如下圖所示,電源、信號源及其載通過兩根導(dǎo)線連接。流過一邊導(dǎo)線的電流與另一邊導(dǎo)線的電流幅度相同,方同相反。

實際上,干源并不一定連接在兩根導(dǎo)線之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導(dǎo)線與地之間的電壓。其結(jié)果是流過兩根導(dǎo)線的干抗電流幅度不同。如圖所示,在加在兩線之間的電壓的驅(qū)動下,兩根導(dǎo)線上有幅度相同但方向相反的電流(差模電流)。但如果同時在兩根導(dǎo)線與地之間加上干擾電壓,兩根導(dǎo)線就會流過幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經(jīng)地流向相反方向。一根導(dǎo)線上的差模干電流與共模干擾同向,因此相加;另一根導(dǎo)線上的差模噪聲與共模噪聲反向,因此相減。所以,流經(jīng)兩根導(dǎo)線的電流具有不同的幅度。

考慮一下對地線的電壓。如圖所示,對于差模電壓,一根導(dǎo)線上的電壓為U1=Uc+Un,而另一根導(dǎo)線上的電壓為U2=U-Uii,因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線上相同。 所以當(dāng)兩種模式同時存在時,兩根導(dǎo)線對地線的電壓也不同。

總結(jié)

電磁兼容已經(jīng)由以前的發(fā)生后再被動處理發(fā)展到了主動在產(chǎn)品研發(fā)階段對其預(yù)先分析、預(yù)測和設(shè)計，成為設(shè)計階段的重要工作。國際社會上也有著嚴(yán)格的電磁兼容規(guī)范，歐共體從1996年就規(guī)定電器和電子產(chǎn)品必須符合電磁兼容性要求，加貼CE標(biāo)識才允許銷售，不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將被責(zé)令撤出市場，目前美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家均頒布了相應(yīng)法規(guī)。EMC測試項目中的兩大類分別是(1)電磁干擾EMI測試(2)電磁抗擾度EMS測試。本文將對其部分做以介紹。