電磁兼容測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容設(shè)計(jì)的領(lǐng)域日益擴(kuò)大，電磁兼容問(wèn)題也愈演愈烈，例如所受到電磁干擾，收音機(jī)無(wú)法正常工作，某些電子設(shè)備的數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟失，醫(yī)療電子設(shè)備工作異常，工業(yè)過(guò)程控制產(chǎn)生嚴(yán)重偏差或失誤，因此需要對(duì)電子產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題進(jìn)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(dòng)處理發(fā)展到了主動(dòng)在產(chǎn)品研發(fā)階段對(duì)其預(yù)先分析、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，成為設(shè)計(jì)階段的重要工作。國(guó)際社會(huì)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(shí)才允許銷(xiāo)售，不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將被責(zé)令撤出市場(chǎng)，目前美國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞等國(guó)家均頒布了相應(yīng)法規(guī)。EMC測(cè)試項(xiàng)目中的兩大類(lèi)分別是(1)電磁干擾EMI測(cè)試(2)電磁抗擾度EMS測(cè)試。本文將對(duì)其部分做以介紹。

一、基本的EMI測(cè)試項(xiàng)目和EMS測(cè)試項(xiàng)目都有哪些呢?

示例：EMI測(cè)試項(xiàng)目有(EMI是設(shè)備產(chǎn)生的)(1)電源線(xiàn)傳導(dǎo)(CE)騷擾測(cè)試;(2)信號(hào)、控制線(xiàn)傳導(dǎo)(CE)騷擾測(cè)試;(3)輻射(RE)騷擾測(cè)試;(4)諧波電流測(cè)試;(5)電壓波動(dòng)和閃爍測(cè)試;EMS測(cè)試項(xiàng)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(duì)于用于軍工的測(cè)試項(xiàng)目本文暫不做介紹。

二、EMC的測(cè)試實(shí)質(zhì)是什么?

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

圖1

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

當(dāng)F≥30MHz,D≥1m并且L<λ/2時(shí)，E=0.63ILf/D，當(dāng)L≥A/2時(shí),E≈60×I/D式中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度(uV/m);1為電流強(qiáng)度(A);為信號(hào)頻率 (MHz);D為距離(m);L為電纜長(zhǎng)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(hào)線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)之間的寄生電容、寄生互感,信號(hào)線(xiàn)與參考地之間的寄生電容,信號(hào)線(xiàn)的 引線(xiàn)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(jì)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(huì)產(chǎn)生越來(lái)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(xiàn)(電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體)上寄生著一種非期望的 共模電流,它的電流強(qiáng)度很小(通常在mA級(jí)以下或A級(jí)),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(jìn)行描述)。當(dāng)產(chǎn)品中等效天線(xiàn)的長(zhǎng)度大于天線(xiàn)中信號(hào)頻率波長(zhǎng)的1/2時(shí),天線(xiàn)產(chǎn)生的幅射強(qiáng)度只與天線(xiàn)上共模電流的大小有關(guān)。可見(jiàn),研究產(chǎn)品中電纜或長(zhǎng)尺寸導(dǎo)體中的共模電流大小,對(duì)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(cè)試:LISN是電源端口傳導(dǎo)騷抗測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備,從圖3中可以看出,接收機(jī)接于LISN中的1k電阻與地之間,當(dāng)接收機(jī)與LISN進(jìn)行互連后,接收機(jī)信號(hào)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(shí)質(zhì)就是測(cè)試50Ω阻抗(這個(gè)阻抗由LISN中的1k的電阻與接收機(jī)的輸人阻抗并聯(lián)而成)兩端的電壓。當(dāng)阻抗50Ω一定時(shí),電源端口傳導(dǎo)騷擾的實(shí)質(zhì)也可以理解為流過(guò)這個(gè)50Ω阻抗的電流的大小。在實(shí)際產(chǎn)品中有兩種電流 會(huì)流過(guò)這個(gè)50Ω的阻抗,一種是圖3中的Idm,另一種是圖3中的Icm。無(wú)論是哪個(gè),都會(huì)在接收機(jī)中示出測(cè)試值,而接收機(jī)本身無(wú)法判斷由是哪種電流引起的傳導(dǎo)騷擾。這需要設(shè)計(jì)者去控制與分析?？刂飘a(chǎn)品中的抗電流不流過(guò)LISN和接收機(jī)并聯(lián)組成的50Ω阻抗是解決電源端口傳導(dǎo)騷問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)大量的實(shí)踐證明, 大部分的電源端口傳導(dǎo)問(wèn)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(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳輸時(shí)由兩種形態(tài),即共模和差模。設(shè)備的電源線(xiàn),信號(hào)線(xiàn)等的通信線(xiàn),與其他設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線(xiàn)路,至少有兩根導(dǎo)線(xiàn),這兩根導(dǎo)線(xiàn)作為往返線(xiàn)路輸送電力或信號(hào)。但在這兩根導(dǎo)線(xiàn)之外還有第三個(gè)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(xiàn)分別作為往返線(xiàn)路傳輸;另一種是兩根導(dǎo)線(xiàn)作為去路,地作為返回路傳輸。前者稱(chēng)為差模，后者稱(chēng)為共模。如下圖所示,電源、信號(hào)源及其載通過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)連接。流過(guò)一邊導(dǎo)線(xiàn)的電流與另一邊導(dǎo)線(xiàn)的電流幅度相同,方同相反。

實(shí)際上,干源并不一定連接在兩根導(dǎo)線(xiàn)之間。由于噪聲源有各種形態(tài),所以也有在兩根導(dǎo)線(xiàn)與地之間的電壓。其結(jié)果是流過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)的干抗電流幅度不同。如圖所示,在加在兩線(xiàn)之間的電壓的驅(qū)動(dòng)下,兩根導(dǎo)線(xiàn)上有幅度相同但方向相反的電流(差模電流)。但如果同時(shí)在兩根導(dǎo)線(xiàn)與地之間加上干擾電壓,兩根導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)流過(guò)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(xiàn)上的差模干電流與共模干擾同向,因此相加;另一根導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)的電流具有不同的幅度。

考慮一下對(duì)地線(xiàn)的電壓。如圖所示,對(duì)于差模電壓,一根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓為U1=Uc+Un,而另一根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓為U2=U-Uii,因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線(xiàn)上相同。 所以當(dāng)兩種模式同時(shí)存在時(shí),兩根導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地線(xiàn)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(dòng)處理發(fā)展到了主動(dòng)在產(chǎn)品研發(fā)階段對(duì)其預(yù)先分析、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)，成為設(shè)計(jì)階段的重要工作。國(guó)際社會(huì)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(shí)才允許銷(xiāo)售，不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將被責(zé)令撤出市場(chǎng)，目前美國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞等國(guó)家均頒布了相應(yīng)法規(guī)。EMC測(cè)試項(xiàng)目中的兩大類(lèi)分別是(1)電磁干擾EMI測(cè)試(2)電磁抗擾度EMS測(cè)試。本文將對(duì)其部分做以介紹。