電磁兼容測試技術簡介

隨著科學技術的發展，電磁兼容設計的領域日益擴大，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，某些電子設備的數據在傳輸過程中丟失，醫療電子設備工作異常，工業過程控制產生嚴重偏差或失誤，因此需要對電子產品電磁兼容問題進行研究。

另一方面，電磁兼容已經由以前的發生后再被動處理發展到了主動在產品研發階段對其預先分析、預測和設計，成為設計階段的重要工作。國際社會上也有著嚴格的電磁兼容規范，歐共體從1996年就規定電器和電子產品必須符合電磁兼容性要求，加貼CE標識才允許銷售，不符合標準的產品將被責令撤出市場，目前美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家均頒布了相應法規。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是設備產生的)(1)電源線傳導(CE)騷擾測試;(2)信號、控制線傳導(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的測試實質是什么?

輻射發射測試:實質上就是測試立品中兩種等效天線所產生的輻射信號。第一種是等效天線信號環路,這種輻射產生的源頭是環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,距環路D處所產生的輻射強度為E=1.3SIf2/D,其中E為電場強度，S為環路面積，I為電流強度，f為信號頻率，D為距離。

圖1

電子產品中任何信號的傳遞都存在環路。如果信號是交變的,那么信號所在的環路都會產生輻射。當產品中信號的電流大小、頻率確定后,信號環路產生的射強度與環路面積有關。因此,控制信號環路的面積是研究EMC問題的一個重要的課題。產品中產生無意射的另一種等效天線模型是單極天線,或對稱偶極子天線,這些被等效成單極天線或對稱偶極子天線的導體通常是產品中的電纜或其他尺寸長的導體。這種射產生的源頭是電纜或其他尺寸長的導體中(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,研究這種產生共模射的共模電流大小是研究射發射問題的重點。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處所產生的輻射強度為：

當F≥30MHz,D≥1m并且L<λ/2時，E=0.63ILf/D，當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)。在電子產品中,除了產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。這些參數都是頻率相關參數,而且值都很小,在直流或低頻情況下,通常被設計者忽略。但是在射發射所考慮的高頻范圍內,這些參數將會產生越來越重要的影響。也 正是這些原因,使得產品中的這些等效天線(電纜或長尺寸導體)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),但卻是產生產品射發射的 主要原因(這種共模電流的產生原理將在以后的章節中進行描述)。當產品中等效天線的長度大于天線中信號頻率波長的1/2時,天線產生的幅射強度只與天線上共模電流的大小有關。可見,研究產品中電纜或長尺寸導體中的共模電流大小,對于控制產品的射發射具有極其重要的意義。

傳導騷擾測試:LISN是電源端口傳導騷抗測試的關鍵設備,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電阻處于并聯狀態,其等效阻抗接近于50Ω,由此也可以看出,電源端口傳導的實質就是測試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而成)兩端的電壓。當阻抗50Ω一定時,電源端口傳導騷擾的實質也可以理解為流過這個50Ω阻抗的電流的大小。在實際產品中有兩種電流 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騷擾。這需要設計者去控制與分析。控制產品中的抗電流不流過LISN和接收機并聯組成的50Ω阻抗是解決電源端口傳導騷問題的關鍵。通過大量的實踐證明, 大部分的電源端口傳導問題產生于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線傳輸時由兩種形態,即共模和差模。設備的電源線,信號線等的通信線,與其他設備或外圍設備相互交換的通訊線路,至少有兩根導線,這兩根導線作為往返線路輸送電力或信號。但在這兩根導線之外還有第三個導體,這就是“地”。干擾電壓和電流為兩種:一種是兩根導線分別作為往返線路傳輸;另一種是兩根導線作為去路,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線連接。流過一邊導線的電流與另一邊導線的電流幅度相同,方同相反。

實際上,干源并不一定連接在兩根導線之間。由于噪聲源有各種形態,所以也有在兩根導線與地之間的電壓。其結果是流過兩根導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動下,兩根導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線與地之間加上干擾電壓,兩根導線就會流過幅度和方向都相同的電流,這些電流(共模)合在一起經地流向相反方向。一根導線上的差模干電流與共模干擾同向,因此相加;另一根導線上的差模噪聲與共模噪聲反向,因此相減。所以,流經兩根導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,一根導線上的電壓為U1=Uc+Un,而另一根導線上的電壓為U2=U-Uii,因而是平衡的。但共模電壓兩根導線上相同。 所以當兩種模式同時存在時,兩根導線對地線的電壓也不同。

總結

電磁兼容已經由以前的發生后再被動處理發展到了主動在產品研發階段對其預先分析、預測和設計，成為設計階段的重要工作。國際社會上也有著嚴格的電磁兼容規范，歐共體從1996年就規定電器和電子產品必須符合電磁兼容性要求，加貼CE標識才允許銷售，不符合標準的產品將被責令撤出市場，目前美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家均頒布了相應法規。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。