1、1,第4章 电磁兼容试验,刘 洋 应用物理教研室,2,4.1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验由于用电器受到干扰，可能导致用电器产生性能下降或失灵的现象。为评定产品对这类电快速瞬变脉冲群抗扰度的水平，一般需进行电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。,3,4.1.1 试验等级,4,试验等级的选择 第1级：具有良好保护的环境 第2级：受保护的环境 第3级：典型的工业环境 第4级：严酷的工业环境 第5级：需要加以分析的特殊环境 4.1.2 试验方法 实际出现的脉冲群现象中，其单个脉冲的重复频率 为l0kHzlMHz。 在实际的试验中，往往利用较低 的重复频率来代替实际的脉冲群，实践证明，这些 试验基本上能够达到试验
2、目的。,5,电快速瞬变脉冲群发生器特性参数(接50负载) (1) 极性：正、负极性；(2) 与供电电源电压异步；(3) 脉冲群持续时间15(1+20%)ms；(4) 脉冲群周期300(120%)ms；(5) 脉冲重复频率：开路输出电压为0.25kV，5kV，1kV和2kV时为5(120%)kHz，开路输出电压为4kV时为2.5(120%)kHz；(6) 单个脉冲的上升时间5(130%)ns；,6,EFT波形参数,7,(7) 脉冲持续时间(半峰值)为50(130%)ns； (8) 开路输出电压范围：0.25kV(1-10%)4kV(+10%)。 快速瞬变脉冲群发生器特性的校验由于各种类型发生器的
3、特性具有分散性，因而可能出现试验结果的不确定性，这样就需要有一个标准化的校验和试验程序。为了能够比较由不同的试验发生器所得出的试验结果，应校验试验发生器的特性。,8,试验配置 电快速瞬变脉冲群试验有在实验室进行型式试验和在设备安装条件下的现场试验两种，必要的设备包括：接地参考平台、耦合装置(耦合网络和耦合夹)、去耦网络和试验发生器等。对于设备的供电电源端口，一般采用耦合/去耦网络来施加试验电压。对于接地的机柜，机柜上测试点应为保护接地导体的终端，,9,试验电压直接耦合到交/直流电源端口的试验配置采用耦合/去耦合网络和容性耦合夹。耦合/去耦合网络主要用于电源端口试验，它一般安装于群脉冲发生器内；
4、容性耦合夹主要用于I/O端口和通信端口试验。如果线路中的电流超过耦合/去耦网络规定的电流容量，这时采用安装后的实验方法，通过一个33nF的耦合电容，将试验电压施加到设备电源端口上。对于I/O端口和通信端口通过容性耦合夹来施加试验电压。,10,11,在实验室进行试验的标准环境条件(1) 接地平面的最小尺寸为1m1m，其各边应至少比受试设备大0.1m，接地参考平面与保护地相连；(2) 接地参考平面应使用厚度不小于0.25mm的铜板和铝板，如果用其他金属材料则厚度要求不小于0.65mm；(3) 落地式设备与接地参考平面的绝缘支座的厚度为0.1m，台式设备应位于接地参考平面上方0.8m处，除此以外，两
5、种设备的试验配置相同；(4) 受试设备按正常要求放置和连接。除参考平面外，受试设备与其他任何导电结构之间距离应大于0.5m；,12,(5)使用耦合夹耦合时，除了接地参考平面之外，耦合板与其他所有导电器件之间距离不小于0.5m；(6) 受试设备应严格按照产品技术要求规范接地，不多加接地；(7) 用耦合装置来施加试验电压。(8) 耦合装置和受试设备之间的信号线和电源线的长度应不大于1m。,13,4.1.3 试验实施 试验计划 试验应根据试验计划进行，通常试验计划应包括：(1) 试验的类型；(2) 试验等级；(3) 试验电压极性；(4) 发生器内部激励或外部激励；(5) 每种状态试验持续时间不小于1
6、min；(6) 施加试验电压次数；(7) 受试设备端口；,14,(8) 受试设备的典型工作条件等。 把试验电压耦合到受试设备 试验电压应施加在受试设备下列不同类型的线路或端口上：(1)供电电源端口(2)I/O端口和通信端口(3)机柜的接地线 对供电电源端子和保护接地端子的试验 对I/O和通信端口的试验,15,试验结果由于受试设备和系统种类繁多，差异很大，使得确定试验对系统和设备的影响的任务变得比较困难。在有关专业标准化技术委员会或产品技术规范没有给出不同的技术要求时，试验结果应按受试设备的工作情况和技术规范进行如下分类：,16,(1) 在技术规范内性能正常；(2) 功能或性能暂时降低或丧失，但
7、能自行恢复；(3) 功能或性能暂时降低或丧失，但需操作者干预或系统复位；(4) 因设备(元件)或软件损坏或数据丢失而造成不能自行恢复的功能降低或丧失。验收试验时，应在专门的产品标准中规定试验程序和对试验结果的说明。,17,4.2 静电放电抗扰度试验 静电放电抗扰度试验是模拟操作人员或物体在接触 设备时的放电以及人或物体对邻近物体的放电，以 评估电气和电子设备遭受静电放电时的性能。这 里，前者是通过导体直接耦合，是接触放电；后者 则是通过空间辐射耦合，是空气放电。在试验中， 接触放电用放电枪电极直接对准被试物体的试验点 实施放电，,18,4.2.1 试验等级 试验等级 试验等级的选择 试验等级应
8、按照最贴近实际的安装和环境条件来选择，上表中提供了一个指导原则。,19,一般来说，当考虑选择一个适用于特殊环境的试验等级时，最关键的参数是放电电流的变化速率，它可通过充电电压，峰值放电电流和上升时间的不同组合来获得。,20,从测量的角度出发，以实际环境中得到的静电电压作为抗扰度要求似乎是顺理成章的，但是，现已证明，能量转移同放电之前存在的静电电压的函数关系，远不如同放电电流的函数关系明确。此外，还发现在较高的电压电平范围内，放电电流一般不与预放电电压成正比。预放电电压与放电电流之间的非正比关系的可能原因是：高压电荷的放电一般通过长电弧通道来实现，,21,4.2.2 试验方法 静电放电发生器 静
9、电放电发生器的主要参数包括：充电电阻(Rc) 50Ml00M储能电容(Cs十Cd) 150pF10%放电电阻(Rd) 33010%输出电压 接触放电8kV(标称值)空气放电l5kV(标称值)输出电压示值的容许偏差 5%输出电压极性 正/负极性(可切换的)保持时间 至少5s放电，操作方式 单次放电(连续放电之间的时间至少1s)放电电流波形 见下图,22,23,24,静电放电发生器元器件选择通常情况下，用150pF士10pF电容器模拟人体电容，330的放电电阻模拟人体电阻。放电回路电缆，一般长为2m，它的结构应符合发生器的波形要求，并且有足够的绝缘强度防止静电放电时放电电流不通过端口而流向人员或导
10、电表面，对于大型的较高的受试设备，若2m长的放电回路不够长，可用不超过3m的电缆，且必须经过检验，确定其放电电流波形符合技术规范。,25,静电放电发生器的特性校验为了比较不同试验发生器所获得的试验结果，必须利用试验时所用的放电回路电缆来验证下表所示的特性。 静电放电发生器在验证过程中的输出电流波形应与静电放电发生器输出电流的典型波形相符。,26,实验室试验配置静电放电试验分在实验室进行型式试验和现场进行的设备安装后试验。优先采用实验室进行试验。(1)地面放置一块最小lmlm、厚度0.25mm的铜板或铝板，如果用其他金属材料，厚度需0.65mm，接地平面的每边至少伸出受试设备0.5m，并且同安全
11、接地系统连接；(2)受试设备与实验室墙壁和其他金属结构之间距离至少1m；,27,(3) 受试设备按制造厂家安装说明书布置，受试设备接地按设备技术条件接地，不允许附加接地； (4) 电源与信号电缆的布置要反映实际安装条件。与接地参考平面连接的接地线和所有节点均为低阻抗；(5) 空气放电的耦合板与接地参考平面用相同金属材料和厚度，每块耦合板两端各设置470k电阻的电缆与接地参考平面相连。,28,4.2.3 试验步骤 试验环境条件气候环境条件：环境温度：1535oC；相对湿度：3060；大气压力：86106kPa。电磁环境条件：实验室的电磁环境不应影响试验结果。 试验的实施 试验应按计划对受试设备采
12、用接触和空气放电方式进行。,29,包括：确定受试设备典型工作条件；确定受试设备放置在桌面上或地面上进行试验；确定施加放电点；确定在每个点，是采取空气放电还是接触放电；确定所采用试验等级以及在每个放电点上的放电次数。,30,4.3 浪涌(冲击)抗扰度试验浪涌(Surge)抗扰度主要分为浪涌电压抗扰度试验和浪涌电流抗扰度试验。浪涌抗扰度是模拟雷击带来的严重干扰。,31,4.3.1 试验等级 试验等级电网的开关操作和附近的雷电冲击都会在交流电源线上发生浪涌现象。不同设备对浪涌的敏感度不同，因而需要采用相应的测试方法和不同的测试等级。,32,等级的选择 试验等级的确定主要依据设备的安装情况，在下表中列
13、示了试验等级选择的依据。GB/T17626.5-1999 电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度实验对其中安装类别作如下规定：0类：保护良好的电气环境，一般是在一间专用房间内。1类：有部分保护的电气环境。2类：电缆隔离良好，甚至短的走线也隔离良好的电气环境。3类：电源电缆和信号电缆平行敷设的电气环境。,33,4类：互连线作为户外电缆沿电源电缆敷设并且这些电缆被作为电子和电气线路的电气环境。5类：在非人口稠密区电子设备与通信电缆和架空电力线路连接的电气环境。,34,4.3.2 试验方法 浪涌发生器 GB/T17626.5-1999 电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度实验中描述了两种不同
14、波形发生器。一种是组合波形发生器(Combination Wave Generation)，另一种是符合ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门 ）的试验信号发电器。 实验配置（1）受试设备电源试验的配置（2）非屏蔽不对称工作互连线试验的配置（3）非屏蔽对称工作互连线/通信线试验的配置,35,36,(4)屏蔽线试验的配置(5) 其他试验配置 4.3.3 试验步骤 试验环境 试验程序 试验的实施,37,4.4 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验注入电流试验 4.4.1 试验等级 试验等级,38,试验等级的选择 试验等级选择的主要依据是设备和电缆实际安装时所处的电磁环境。 上表的试验等级的划分依据如下规
15、则：1类：低电平辐射环境。用于无线电台/电视台位于1km距离以上的典型电平和低功率发射接收机的典型电平环境中。2类：中等电磁辐射环境。用于设备邻近低功率便携式发射接收机(额定值小于1w)的环境中。一般指典型的商业环境。,39,3类：严酷电磁发射环境。用于相对靠近设备，但距离在1m以上的手提发射接收机(额定值2w)环境中。是典型的工业环境。类：特定产品通过协商或由产品规范和产品的技术标准规定的开放等级。在选择适用等级时，还要考虑到受试设备产生故障的后果，当产生的后果严重时可以考虑采用更严格的试验等级。 4.4.2 试验准备 骚扰信号调制方式,40,试验设备(1) 骚扰信号发生器：提供给受试设备所
16、要求的限值电平的调幅骚扰信号，频率范围 150kHz80MHz，试验信号发生器的特性见下表。,41,试验设备(2)宽带功率放大器：骚扰信号发生器输出电平不够时，应采用宽带功率放大器。(3) 低通滤波器：滤除骚扰信号的谐波。,42,(4) 衰减器：固定衰减用以减小信号发生器同受试设备匹配不当带来的影响，可变衰减器用以控制骚扰信号发生器的输出电平.,43,试验配置射频传导骚扰抗扰度试验配置见下图。受试设备置于参考平面上0.1m厚的绝缘支座上，将耦合和去耦网络CDN接入辅助设备和受试设备端口之间，对屏蔽电缆是将骚扰信号电流注入到电缆的屏蔽层，对非屏蔽电缆是将骚扰信号通过CDN注入到各条馈线上。,44
17、,以上为共模注入骚扰信号的方法，共模注入点是指受试设备注入骚扰信号的点，对连接电缆而言是电缆的屏蔽层，对非屏蔽馈线(如电源线)是指注入网络中RC线路与每根线相交的点。,45,4.4.3 试验方法 注入方法（1）直接注入（2）耦合和去耦网络（3）钳注入法 注入法的选择程序,46,47,试验条件 在规定的气候条件和工作环境下，实施试验： 确定受试设备的尺寸； 选择所采用的试验等级； 确定受试设备典型的工作环境； 确定试验设备的类型，受试设备、辅助设备及耦合和去耦合装置的位置； 选择试验频率的范围； 选择频率扫描速率、驻留时间和步进频率。,48,4.5 电 波 暗 室在电磁兼容辐射测量时，电波暗室是
18、必备的测试设备。在一些电路设计工程中，微波暗室也是不可缺少的。辐射发射测量与辐射抗扰度测量同属于电磁兼容测量的范畴，虽然两者使用的测试方法不同，但均需要特殊的测试场地。电波暗室是其众多测试场地中非常重要的一个。 4.5.1 半电波暗室的设计半电波暗室是由装有吸波材料的屏蔽室组成的。屏蔽室将内部空间和外部的电磁环境相隔离。环境电磁波频谱来自包括电视信号、无线电广播、个人通信设备以及人为环境噪声等。,49,屏蔽室的作用就是使屏蔽室内的外部骚扰强度明显低于受试设备(EUT)本身所产生的干扰场强，在半电波暗室设计时，主要应该考虑屏蔽室、屏蔽效能、电磁吸波材料及暗室的建造等因素。 屏蔽室 在半电波暗室的
19、屏蔽室的建造中，有两种基本构造方法：组合型和焊接型。组合型由墙板和使墙板连接的夹具组成。焊接结构是由钢板或铜板经焊接而成的一个紧密的针对射频信号的密封体。,50,屏蔽效能 屏蔽室的性能是由屏蔽效能(SE)来定义的。它的意义也就是由于屏蔽室的存在而产生的信号衰减。目前，广泛使用的定义SE的标准是NSA 656(如下表)。,51,电磁吸波材料 电磁吸波材料安装在屏蔽室的墙上以及天花板上，以减少表面的电磁反射。电磁辐射在入射时就被吸波材料吸收，并将部分电磁能转化成热能。在半电波暗室中，目前有两种广泛应用的宽带电磁吸收材料，根据它们的工作机理被区分为：吸收磁场辐射的铁氧体和吸收电场辐射的加碳泡沫。混合
20、型材质由这两种材料组成。,52,试验室的建造 在以上的几个部分，我们对几个主要问题进行了介绍，包括半电波暗室的设计、屏蔽效能和吸波材料。这一部分集中讨论这些方面的整体实施。在建造EMC测试试验室时，需要相当大的空间来容纳电波暗室和相关的设备。典型的设计尺寸如下表。,53,在半电波暗室以及相关设备建造结束后，要验证其性能，以证实用半电波暗室替代理想的OATS是可行的。在民用EMC设施中，半电波暗室性能测试依照标准ANSI C63.41992、CISPR22或相关标准所描述的替代场方法。这些测试程序是通过比较电波暗室与OATS的场地衰减来证实电波暗室的性能的。 开阔试验场OATS、半电波暗室SAR
21、、全电波暗室FAR,54,在实际的应用中，无论是测量时间的耗费、半电波暗室造价的提高、还是微波段数据的不确定度变坏，其根本原因是在辐射发射测量中存在一个地反射面。回顾历史，在辐射发射测量中设定地反射面是为了模拟受试设备在使用时绝大多数情况是在大地表面之上，为了使实验测量更接近于实际情况而使用的，但由于地反射面带来的问题则是始料未及的。根据当前的问题，于是有人提出：在电磁兼容测量中，是否可以像微波测量、天线测量那样，改在六面挂吸波材料的全电波暗室中进行。,55,4.5.2 全电波暗室与半电波暗室比较，在全电波暗室中的辐射发射测量(见下图)，接收天线不再接收来自EUT的地面反射波，而只接收直射波。
22、对于完全理想的暗室，其电波传播的特性应与自由空间相同。,56,对于自由空间，以dB表示的场地衰减(SA)如下式所示。 式中：SA自由空间的场地衰减，dB；Z0天线系统的终端阻抗，；d收发天线参考点间的距离，m；f频率，MHz，；AFR接收天线的电场天线系数， dB/m；AFT发射天线的电场天线系数， dB/m；,57,如将上式对天线系数归一化，则以dB表示的归一化场地衰减(NSA)可写为：对于3m法，50的系统，NSA41.520lg f 显然，由于是在自由空间，所以对于垂直或水平极化NSA均为上式所示。,58,4.6 实用电磁干扰故障诊断技术 4.6.1 故障诊断前的准备工作 仪器设备准备
23、对策器件、工具准备 数据准备。 仪器的准备较好的测量仪器设备是测试效果的保证，如有专用的电磁兼容测试设备，利用专用的电磁兼容测试设备是我们的首要选择。,59,当然，仅凭从市场上购得的几个耦合探头，测试时是很难覆盖电磁干扰的整个频段的，此时，要根据实际情况，自制一些实用的设备，如电流卡钳、近场探头、LISN和差共模分离器、前置放大器(10kHz1GHz)和脉冲干扰发生器等。 自制测试仪器 电流卡钳是测试传导干扰的很有用的耦合器具，下图为电流卡钳的工作原理示意图。,60,电流卡钳的工作原理类似于普通的变压器，当电磁干扰产生的电流I流过磁环时，该电流将会影响流经磁环的磁通量，同时在次级导线上产生感应
24、电动势V。,61,由此我们可以利用磁环和普通的导线制作出适合现场的应急电流卡钳，如下图所示，自制的应急电流卡钳材料非常常见。,62,自制近场探头的工作原理如下图所示，环形导线两端产生的电压与通过环形导线所围成区域的磁通量有关，即V(d/dt)=A(dB/dt)。近场探头作为一种自制简便且非常实用的辐射干扰接收天线，必须与其他仪器一起使用才能达到它的使用目的。,63,利用近场探头测试辐射干扰的典型连接方式,64,工具箱准备 准备好仪器设备后，还要准备一个排除电磁干扰故障的工具箱。一般情况下，工具箱内应有如下一些材料和小设备：(1) 不同内径的分体式铁氧体磁环、不同大小的磁珠和磁芯；(2) 47p
25、F、100pF、470pF、1000pF、10000pF的片状滤波器；(3) 47pF10000pF 独石电容和表贴电容；(4) 交流电容3300pF、0.47F、1F，4.7F、10F，47F、100F；(5) 导电布、铜箔屏蔽胶带、绝缘胶带各一卷；,65,(6) 馈通滤波器100pF、470pF、1000pF、10000pF；(7) 电源线滤波器3A、10A各1只；(8) 差模扼流圈2只、共模扼流圈1只；(9) 焊接工具一套；(10)3、5同轴电缆若干。 数据准备一般情况下，数据准备应包括以下几方面的工作：如在故障诊断前，已经对被测设备进行过测试，应准备其完整的测试曲线。,66,4.6.2
26、 深刻理解dB 假设有一个如下图所示的被测设备，该设备因壳体屏蔽不良而受到外界辐射源的干扰，进入该设备的辐射能量的百分比如下图所示。外部辐射对设备的干扰再降低38dB就能够达到要求。,67,为了消除外界辐射对设备的影响，分别对5个辐射途径采取了有效的屏蔽措施，对设备内电磁环境的改善过程为：解决最大的辐射途径，改善量=解决第二大的辐射途径，改善量=解决第三大的辐射途径，改善量=解决第四大的辐射途径，改善量=,68,解决最小的辐射途径，改善量=该过程利用曲线表示为下图：,69,由此我们可以知道，消除辐射能量最大的干扰途径对整个环境的改善只有6dB，而消除辐射能量最小的干扰途径对整个环境的改善却有2
27、5dB。是不是说明辐射能量最大的干扰途径对环境影响最小呢？显然不是。我们假设不消除辐射能量最大的干扰途径，而消除其他所有的干扰途径，那么整个环境的改善量将为：,70,我们再假设设备内电磁环境的改善过程为：解决最大的辐射途径，改善量=解决第二大的辐射途径，改善量=解决第四大的辐射途径，改善量=解决最小的辐射途径，改善量=解决第三大的辐射途径，改善量=,71,显然在这个过程中，解决第三大的辐射途径就能够使设备内的辐射电磁环境改善48dB。是不是只采取最后这个措施，消除第三大辐射途径就能够达到要求呢？显然答案是否定的。 4.6.3 常见故障的解决方法一般我们采取如下所述的步骤来实现设备样机的故障排除
28、：(1) 利用现有测试手段，对样机故障的产生原因进行分析。(2) 加上一项电磁兼容措施。(3) 测试样机，判断样机是否已经达到设计要求，,72,是否已经合格，若不合格，重复(2)和(3)。(4) 去掉最贵或最不好实现的措施。(5) 测试样机，判断样机是否仍然达到设计要求，是否仍然合格，若合格，重复(4)和(5)。(6) 恢复最后去掉的措施。 传导发射超标的诊断 传导干扰的频段跨度比较大，从超低频到超高频的干扰信号都有可能通过传导而干扰设备的正常工作。虽然电源线和信号线都有可能成为传导的载体，但因电源的影响面比较大，我们就以通过电源线传导的干扰的抑制为例简单介绍。,73,首先用电流卡钳分别卡在每
29、根电源线上，读出超标点的数值；再判断干扰是差模还是共模，填写超标点记录表；最后，直观检查不合理设计，采取措施，直到合格为止。差模干扰一般发生在1MHz以下，开关电源的开关频率上，原因是滤波器的差模衰减不够，特别是体积较小的滤波器。排除差模干扰，一般采取在原滤波器的基础上再接一个由一个差模电容和两个差模电感组成的滤波器。而共模干扰的原因比较复杂，解决该类问题的首选手段就是改善原滤波器的共模抑制性能或加装新的共模干扰抑制滤波器。,74,辐射发射超标问题和受辐射干扰问题诊断解决辐射发射问题，首先应该考虑电缆的问题，因为电缆的天线效应是引起辐射发射的最大元凶。下图是解决辐射发射超标问题的流程示意图。,75,
