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電磁兼容實(shí)驗(yàn)室需要的儀器

發(fā)布時(shí)間:2009-12-25

中心議題:
  • EMC測試設(shè)備的配置
  • 內(nèi)部預(yù)兼容測試
解決方案:
  • 傳導(dǎo)發(fā)射的測試
  • ESD抗擾度測試
  • 輻射電磁場抗擾度的測試

產(chǎn)品必須符合EMC("電磁兼容)要求,歐洲規(guī)定:銷售違反電磁兼容法令(89/336/EEC)的產(chǎn)品將面臨高額罰款,因此,商家越來越重視產(chǎn)品的電磁兼容性問題,為了降低成本,要根據(jù)公司需求和規(guī)模的不同,組建一個(gè)EMC實(shí)驗(yàn)室,本文介紹建設(shè)公司內(nèi)部EMC測試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和方法。

組建一個(gè)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的最小需求取決于公司的需要和財(cái)務(wù)狀況。通常,公司將力求節(jié)省經(jīng)費(fèi)(在設(shè)備和人力資源兩方面),并盡量降低風(fēng)險(xiǎn)。但有一點(diǎn)必須明白,世界上不會有“低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和低EMC技術(shù)”這樣的好事。工程師必須掌握高度的技巧,才可能設(shè)計(jì)出具有相當(dāng)性能的低成本設(shè)備。精度越低的產(chǎn)品,其風(fēng)險(xiǎn)也會越高。

在組建一個(gè)公司內(nèi)部EMC實(shí)驗(yàn)室時(shí),無論其規(guī)模大小如何,都必須遵從一些最起碼的指導(dǎo)原則。首先,建成EMC實(shí)驗(yàn)室的房間或地方必須潔凈,沒有無關(guān)物品,完全專用于EMC測量。只要條件許可,絕對需要一個(gè)由金屬制成并可靠連接大地的地參考平面;如果條件不允許(如房間不在第一層),至少應(yīng)該接保護(hù)地系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的所有金屬物體必須可靠接地或予以清除。電源系統(tǒng)必須“凈化”(在電源進(jìn)入EMC實(shí)驗(yàn)室之前的某處正確接入線濾波器)。

EMC測試設(shè)備的配置

1)傳導(dǎo)發(fā)射測試---需要一臺頻譜分析儀(或EMI接收器)、電纜和LISN(線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),手工制作或外購),如果可能的話,還應(yīng)該有一個(gè)屏蔽房間(最起碼有一個(gè)屏蔽帳篷)和一張距地面80cm的絕緣桌。

2)輻射發(fā)射測試---需要同樣的頻譜分析儀或EMI接收器、一副天線、電纜和OATS(開放區(qū)域測試場地或(半)電波暗室);為測量干擾功率而制作或外購的吸收鉗。

3)諧波測試(與閃爍測試)---如果要進(jìn)行完全兼容測試,則需要專用設(shè)備(專用諧波分析儀);但如果僅為評估的話,一臺便攜式諧波分析儀甚至一臺能進(jìn)行FFT評估的示波器就足夠了。

4)ESD(靜電釋放)抗擾度測試---只有ESD槍才能可靠評估該項(xiàng)測試的結(jié)果。

5)VSPACE=12HSPACE=12ALT="圖2:輻射發(fā)射測試裝置。">輻射電磁場抗擾度測試---需要與輻射發(fā)射測試類似的設(shè)備,此外還需要信號發(fā)生器、放大器、衰減器、場強(qiáng)儀,可能還需要一臺計(jì)算機(jī)。

6)傳導(dǎo)騷擾抗擾度測試---需要的設(shè)備與1)和5)類似,另外再加上CND(異種耦合解耦網(wǎng)絡(luò)),但不需要天線。

7)電快速瞬變(EFT/Burst)抗擾度測試。

8)浪涌抗擾度測試。

9)電源頻率磁場抗擾度測試。

10)電壓驟降、短時(shí)中斷與電壓變化抗擾度測試。

從7)到10)的最后四項(xiàng)測試需要專用設(shè)備,這些設(shè)備可從多個(gè)廠商買到。

值得注意的是,測量設(shè)備的制造商和經(jīng)銷商通常提供執(zhí)行不同測試的包裝和(或)全套裝置,以及有關(guān)如何按照最新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行這些測試的指導(dǎo)甚至培訓(xùn)。請向最近的當(dāng)?shù)劁N售代表查詢設(shè)備的性能和功用。大部分情況下,設(shè)備都有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需求預(yù)設(shè)的測試程序,請首先閱讀說明手冊。
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內(nèi)部預(yù)兼容測試

預(yù)兼容測試并無定義,但最起碼我們有理由假定測試必須在盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下進(jìn)行。

1)傳導(dǎo)發(fā)射的測試

多年來,電子產(chǎn)品制造商遇到的最困難的問題可能就是在傳導(dǎo)發(fā)射方面,因此本文首先就此進(jìn)行討論。傳導(dǎo)發(fā)射的測試裝置如圖1所示。

這個(gè)裝置是根據(jù)CISPR22(EN55022)組建的,而且使用的設(shè)備必須符合CISPR16-1的要求。該裝置主要包括:EUT(被測設(shè)備),如果它是臺式的,必須安放在一個(gè)距地面80cm高的絕緣桌上;輔助設(shè)備(外設(shè)),按正常使用方式連接,未使用的輸入和輸出必須正確端接,多余的電纜必須截短,或繞成直徑30~40cm的一卷。頻譜分析儀(或EMI接收器)在0.15~30MHz的頻率范圍內(nèi)必須具有9kHz的分辨率帶寬(RBW)。測量過程在CISPR16-1和產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)描述,如果正確執(zhí)行,其結(jié)果與第三方實(shí)驗(yàn)室的測試將3)諧波和閃爍測試

諧波和閃爍測試沒有環(huán)境方面的要求。只需將EUT連接到諧波分析儀的電源入口,并根據(jù)廠商的說明和標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行測試即可。同樣,測試設(shè)備將包含一些已有的設(shè)置,但工程師必須確保這些測試設(shè)置符合自己產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。如果評估時(shí)使用其他方法(如便攜式電源諧波分析儀),請仔細(xì)閱讀標(biāo)準(zhǔn)要求,然后再評估測量結(jié)果。

4)ESD抗擾度測試
ESD抗擾度測試對于大型設(shè)備可能并不是很重要。但在今天這個(gè)各種產(chǎn)品普遍小型化的時(shí)代,ESD測試已成為大部分設(shè)備的“關(guān)鍵”EMC測試之一,例如對便攜式計(jì)算器、MP3和MD播放器、USB存儲棒、音頻設(shè)備等等。

由圖可見,EUT仍然安放在一張絕緣桌上,位于HCP(水平耦合平面,由一種金屬傳導(dǎo)材料制成)上,并通過一個(gè)絕緣抗靜電襯墊與其隔離。VCP(垂直耦合平面)和HCP分別連接到地參考平面,每個(gè)連接端各使用一只470kΩ的電阻。對于EUT的每個(gè)側(cè)面和VCP、HCP,以及EUT上每個(gè)用手能觸摸到的金屬表面,分別使用鋒利尖端進(jìn)行接觸放電(直接放電),通常每個(gè)極性5次。對于機(jī)箱的所有塑料部分,則利用圓形尖端進(jìn)行空氣放電(間接放電)。

5)輻射電磁場抗擾度的測試

輻射電磁場抗擾度的測試裝置與輻射發(fā)射測試非常類似,但是在這項(xiàng)測試中,信號發(fā)生器和功率放大器將饋送給天線,以便在EUT附近產(chǎn)生“均勻電磁場”(±6dB)(在頻率范圍80~1000VSPACE=12HSPACE=12ALT="圖4(a)和(b):磁場探針、電場探針和一根管腳探針的實(shí)例。">MHz、AM、1kHz、80%調(diào)制深度下為3V/m或10V/m)。需要注意的是,不同產(chǎn)品的頻率范圍也不相同。

6)傳導(dǎo)騷擾抗擾度測試

傳導(dǎo)騷擾抗擾度測試的目的是在EUT端口輸入建立3V電平(有效值,150kHz~230MHz、AM、1kHz、80%調(diào)制深度)。信號發(fā)生器和功率放大器必須提供足夠的功率,以便CDN能將信號耦合到被測線。由于測試項(xiàng)目3)、7)、8)、9)、10)使用的是高度專業(yè)化的設(shè)備,如果實(shí)驗(yàn)室中有這些設(shè)備,工程師無需太多操作,只要正確連接EUT就可以了,最重要的任務(wù)是監(jiān)控EUT的工作方式。
如何進(jìn)行近場測試

本文前面的介紹部分講過,近場測試非常適合產(chǎn)品開發(fā)階段。在這個(gè)階段,標(biāo)準(zhǔn)測試方法或許能給出精確的結(jié)果,但卻無法顯示問題的來源所在。在挑選元件時(shí),有些控制器芯片的輻射要比其他芯片低40dB,或具有更高的抗擾度。即使在產(chǎn)品開發(fā)完成,執(zhí)行兼容測試未通過之后,標(biāo)準(zhǔn)測試方法也幾乎無法給出有關(guān)問題來源的任何信息。在印制板一級,工程師們使用近場測試探針進(jìn)行測量,也可能使用缺陷檢測器等。
然而另一方面也必須了解,近場測試探針(幾乎)不能給出有關(guān)設(shè)備傳導(dǎo)或輻射水平的任何信息,其誤差為20~40dB。但近場測試探針可以保證一點(diǎn):每次使用時(shí),其測量結(jié)果總要好于前述的各種測量。為了通過近場測試探針大致了解產(chǎn)品是否能通過EMC測試,需要在已經(jīng)確知結(jié)果的樣品上進(jìn)行多次嘗試。

一些磁場探針、電場探針和一根管腳探針的例子。它們的優(yōu)點(diǎn)是容易制作,外購也相當(dāng)便宜。它們都使用50Ω的電纜,并連接到一臺(廉價(jià)的)頻譜分析儀。

近場探針用來拾取電磁場的全部兩個(gè)分量。雖然市場上有一些非常靈敏的電磁場場強(qiáng)儀,但電磁場的近場場強(qiáng)并不太容易測量。它們無法給出輻射噪聲頻率成分的任何信息,但可以方便地指出“問題分量”。近場探針在連接到頻譜分析儀時(shí),還可給出頻率成分信息。

磁場探針提供一個(gè)與磁射頻(RF)場強(qiáng)成比例的輸出電壓。利用這個(gè)探針很容易找到電路的射頻源。不過,磁場的場強(qiáng)隨距離迅速變化(成三次方關(guān)系)。另外,探針的方向至關(guān)重要,因?yàn)榇艌龇较蛞欢ㄊ谴怪庇诖怒h(huán)路的。前面已經(jīng)指出,探針將不會給出太多的量化信息,但對于某個(gè)元件(IC、開關(guān)三極管等),隨著探針距離元件越來越近,探針的電壓輸出也將增大。

即使周圍有許多元件,通過研究原理圖,設(shè)計(jì)者也可以很容易地辨認(rèn)出噪聲源。如果工程師決定更換元件,他將很容易測量出更換后的結(jié)果,這使得在開始時(shí)就選擇可靠的元件成為可能。VSPACE=12HSPACE=12ALT="圖4(a)和(b):磁場探針、電場探針和一根管腳探針的實(shí)例。

管腳探針允許直接在IC管腳或PCB的細(xì)導(dǎo)線上鑒別噪聲電壓。還能方便地判斷濾波器的效果,盡管只是一種定性的判斷。管腳探針可以在濾波器的前、后分別進(jìn)行接觸測量,并觀察其效果情況。但工程師必須正確估計(jì)接觸電容,并選擇電容較小的探針(不大于10pF)。

電場探針可拾取共模電壓和需要的信號。共模電壓是輻射電壓的一個(gè)重要來源。此外,磁場探針無法拾取電場??梢宰C明,使用全部三種探針是有益和省時(shí)的。

本文介紹了擁有公司內(nèi)部EMC測試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)??傮w而言,除了設(shè)備成本、占用空間,以及可能的人員培訓(xùn)這些投入之外,擁有EMC能力并沒有什么不利。無論如何,EMC技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中必不可少,公司必須以某種方式進(jìn)行這方面的投資(如依靠第三方咨詢公司的服務(wù)),忽視它的代價(jià)將是高昂的。
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