电磁兼容测试技术分析

电磁兼容测试技术分析

梁世林彭金生

广东省东莞市标检产品检测有限公司523770

摘要；阐述了电磁兼容涉及的领域及测试的重要性。以一些测量标准为依据，详细讨论了电磁兼容测试的测量仪器设备、测试场地；环境电平、辐射和电源端传导干扰电压!电流等物理量的直接测试方法；还讨论了电磁兼容的替代测试方法及自动测量方法。最后说明了我国电磁兼容试验技术的现状和发展情况。

关键词；电磁兼容；测试技术

城市人口的迅速增长及人们在生产生活中使用的电气及电子设备的数量与日俱增,汽车、通信、计算机与电子、电气设备大量进人家庭,空间人为电磁能量急剧增长,电磁环境日益恶化。在这种复杂的电磁环境中,如何减少相互间的电磁干扰,使各种设备正常运转,是一个巫待解决的问题;另一方面,如何降低恶劣的电磁环境对人体及生态产生的不良影响,也是一个不容忽视的问题。世界各国都十分重视愈来愈复杂的电磁环境及其广泛的影响,从而促使环境电磁学及电磁兼容技术成为迅速发展的学科领域。

1.电磁兼容的基本概念和设计原则

电磁兼容性,简称”EMC”,是英文”Electro-magneticcompatibility”的缩写,基本含义是,能保证设备(包括系统和分系统)在共同的电磁环境中执行各自功能的共存状态而互不干扰。造成设备性能降级或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素:首先是有一个电磁发射源,其次是有对电磁干扰敏感的设备;第三要存在一条电磁干扰的耦合通路,把能量从电磁发射源传递到对干扰敏感的设备。

因此,对于一个设备(假如设备是一个分系统)来说,基本的电磁兼容设计原则是:

①使设备对外的电磁干扰减小到最低限度,不影响其他系统工作。

②将设备的抗干扰能力提高到最大程度。

③切断设备和其他系统的电磁耦合通路。本着这三个设计原则,就可以使设备的电磁兼容性满足要求。

2.测量仪器设备和测试场地

（1）测量仪器

在测试仪器方面，以频谱分析仪为核心的自动检测系统，可以快捷、准确地提供EMC有关参数。新型的EMC扫描仪与频谱仪相结合，实现了电磁辐射的可视化。可对系统的单个元器件、PCB板、整机与电缆等进行全方位的三维测试，显示真实的电磁辐射状况。

采用带有准峰值和平均值检波器的干扰接收机，其性能应符合CISPRl6-1或对应国标GB/T6113.1(《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》)的要求。在传导干扰测量时，干扰接收机的频率范围为10kHz～30MHz；在辐射干扰测量时，干扰接收机的频率范围为30～1000MHz。

（2）线性阻抗稳定网络

线性阻抗稳定网络(LISN：lineimpedancestabilizationnetwork)又称为人工电源网络。在做电源端传导干扰电压/电流测试时，应采用阻抗为50Ω/50μH的LISN(V型网络)，其特性应符合CISPRl6-1和GB/T6113.1的要求。联接LISN有两个作用：其一，对EUT(equipmentundertest待检设备)的电源输入端口，在高频谐波时提供一个标准线性阻抗，这样当连接到同一电源的其它设备发生变化时，不会影响EUT输入的电源阻抗；其二，LISN可以滤去来自电网电源的EMI，给开关电源提供一个“干净”的电网交流电源，不会影响对EUT本身传导干扰的测量结果。

（3）测试场地

作为EMC测试的实验室大体有两种类型：一种是经过EMC权威机构审定和质量体系认证，而且具有法定测试资格的综合性设计与测试实验室或检测中心。另一种类型就是根据本单位的实际需要和经费情况而建立的具有一定测试功能的EMC实验室。

用开阔场测量辐射干扰时，10kHz～1000MHz频段的辐射测试场地应该是一个空旷、平坦的场地，在其边界范围内无架空线，附近无反射结构物(如钢筋水泥建筑和高大树木等)，而且具有足够大的尺寸，使天线、试品和反射结构物之间能充分分开。满足标准的辐射测试场地应该是一个由长轴等于两倍焦距(F)、短轴等于√3倍焦距的椭圆所包围的场地。试验时，EUT和测量天线将分别处在两个焦点上。

为了获得稳定的电波传输特性，必须有一个固定的、相当大的反射地面(或称接地平板)。反射面用金属材料制成，如钢板(包括镀锌钢板)和金属丝网等。板与板之间要用电焊连接，无大的漏缝或孔洞。金属网孔径的最大尺寸必须小于波长的1/10(对1000MHz，孔径应小于3cm)。另外，场地表面必须平整，同时要考虑排水设施。

传导干扰电压/电流的测试可以在辐射试验场地内进行，也可以在屏蔽室内进行。

3.电磁兼容设计

电磁兼容设计理论在很多书中已全面、系统地论述过了,这里不再细述。下面结合具体情况,介绍一下在实际中行之有效的电磁兼容设计方法。

（1）安装电源滤波器

安装电源滤波器,这是任何一个设备或系统满足电磁兼容要求的一个最基本的方法。当设备在干扰的作用下发生误动作时,人们往往将注意力集中在屏蔽、接地等其他措施上,然而效果总是不理想,可以说,这些措施是必不可少的,但不是从根本上解决问题,实际上,在电源上,叠加着各种各样的干扰电压,既有mV级的连续干扰,也有数百伏甚至上千伏的瞬态干扰,这些干扰会对电网中的设备产生不同程度上的、根本性的影响。因此,安装电源滤波器是非常重要的。

电源滤波器是一种低通滤波器,它允许直流或50Hz工作电流通过,而不允许频率较高的工作电流通过。它的作用是双向的,既能防止电网上的干扰进入设备,使设备满足传导敏感度的要求,又能防止设备内的电磁干扰通过电源线传到电网上,使设备满足传导发射的要求;它的作用也是全面的,除了上述所说的使设备能够满足电磁兼容标准中对传导敏感度和传导发射的要求,实际上,它对抑制设备产生较强的辐射干扰也很重要,这个作用,在电磁兼容的测试现场,我们可以非常直观地看到,在测试设备的”传导发射”这项时,如果不加电源滤波器,我们可以看到设备”传导发射”的曲线远远在标准限制值曲线之上,安装电源滤波器后,则”传导发射”的曲线的大部分落在了标准限制值曲线之下,如果对电源滤波器精心选型,对安装位置精心调整,则效果会更佳。

选择电源滤波器,要考虑它的额定电压、电流,能适应的温度范围,插入损耗,体积大小。

④电源滤波器分为交流和直流两种,交流滤波器可以用在交流、直流任何场合,但用在直流的场合,会造成成本和体积不必要的浪费;直流滤波器,则只能用在直流的场合中。另外,当工作电流超过滤波器的额定工作电流时,不但会造成滤波器过热,同时会造成滤波器中的电感磁芯发生饱和现象,导致低频滤波性能降低。因此,在确定滤波器的电流时,要留有至少50%的余量,以使滤波器始终工作在最佳状态。

⑤电源滤波器的工作温度范围也很重要,必须能够含盖设备工作温度范围,否则在高低温下,滤波性能下降。电源滤波器的插入损耗,是滤波器的一项重要指标,但在实际中不太好确定。理想情况下,应该在电磁兼容测试现场,不安装电源滤波器,对设备进行传导发射和传导敏感度的测量,并与标准限制值进行比较,看两者相差多少分贝,这个值也就是滤波器应有的插入损耗。然而,在现实中,由于电磁兼容测试设备非常昂贵,在研制时,我们一般没有这样的测试手段,只能在看滤波器样本时,尽量选择插入损耗较大的滤波器。

⑥电源滤波器的体积大小,也是我们比较关心的,它关系到整个设备的体积重量。现在,在许多场合,往往要求设备要体积小,重量轻,这就使我们在选择滤波器时,不加考虑地选择体积较小的,实际上,这是一种错觉,体积较小的滤波器,一定是用了体积较小的电感元件,它是以牺牲电流容量和低频特性为代价的,抑制电磁干扰能力必然降低。另外,滤波器内部的器件一定靠的很近,这会降低滤波器的高频滤波性能,导致设备的发射辐射超标。因此,我们在设备的设计之初,就一定要重点考虑滤波器,因为它不是可有可无而是必备的,应全盘考虑,合理设计,或在其他方面适当压缩空间,给滤波器留出最佳状态应有的空间。

⑦电源滤波器的安装是非常讲究的,安装不好,则起的作用很小甚至形同虚设。很多人认为只要将滤波器串在电源和设备之间就行了,实际上是非常错误的。滤波器一定要安装在设备离电源入口处最近的地方,滤波器的电源输入线越短越好,滤波器的输入线和输出线不能重叠捆绑。另外,滤波器的外壳一定要良好接地,即良好接到金属机壳上。

⑧满足了上述的几个条件,滤波器就会发挥它应有的作用,在设备的电磁兼容性上,用好电源滤波器,能起到一半以上的作用。

（2）屏蔽密封

如果说安装电源滤波器是为了消除干扰源的影响,屏蔽的作用则是切断电磁波的传播途径。

设备的外壳材料很重要,有些设备为了减轻重量或降低成本,使用了非金属材料,这就谈不上屏蔽了,解决的办法,是在机壳的内表面贴上一层高导磁材料,或喷涂金属漆,考虑到成本,喷涂金属漆要更经济一些,用起来也更方便,但效果要比高导磁材料差。金属铝是机壳中常用的材料,但它容易被氧化,造成导电、导磁性能降低,我们可以在铝机壳内表面涂上一层铝表面防氧化导电液,很多经营电磁兼容材料的公司都有上述材料出售。

这里所指的”密封”,不是通常所说的”水密”、”气密”,而是对一个设备采取金属全屏蔽的状态,不让电磁有任何泄露的缝隙,也就是屏蔽体导电的连续性。在实际中,造成屏蔽体导电不连续的因素很多,如设备机壳本身具有搭接,设备与外界的接插件连接、通风孔、显示窗口等,这就需要我们周全考虑,一项项解决。首先,在结构设计时,机壳的搭接要深度搭接。另外,设备与外界交换信息时,信号是通过接插件传递过去的,这在一定程度上是有电磁辐射的,在电磁兼容性要求严格的场合,在每根信号线上要加穿心电容,但穿心电容的容值一定要慎重选择,否则对信号造成衰减引起误码。现在市场上销售一种直接带滤波功能的接插件,用起来很方便,但在选择时,一定要看样本上的电容指标。在通风孔要加金属屏蔽网,在显示窗口,一层透明屏蔽材料。另外,在机壳的很多缝隙处,可以加屏蔽胶带,它是在铜箔、铝箔或导电布上敷上导电胶构成的胶带,效果也很好。

（3）电路设计和布线考虑

在电路设计时,除系统中加电源滤波器外,在电路板上要加浪涌抑制器,尽量使用大规模集成电路,可以获得很小的环路面积;在有电机或继电器的场合,数字微功耗电路要与模拟大功率电路采用光藕等隔离措施。印制板设计时,数字地、模拟地、弱信号地、强信号地要分开,线间距要尽量宽。布线时,要将信号线分类,数字、模拟、强、弱信号要分开走线,每种走线都要加屏蔽。

结语；EMC测试必须依据EMC标准和规范给出的测试方法进行,并以标准规定的极限值作为判据。由于EMC测试是个复杂过程,而且与测试者经验和测试技术有关,所以测试结果重复性不理想。建立自动测试系统,研究新的算法和测试手段就成为今后研究的热门课题。随着计算机技术及数值分析技术的快速发展,电磁兼容性工程由事后检测处理发展到预先分析评估、预先检验、预先设计。

参考文献；

（1）电磁兼容测试的发展动态_李旭华

（2）电磁兼容测试方法及应用设计_刘晶红

（3）电磁兼容测试技术选析_邓重一

（4）电磁兼容测试系统电磁干扰问题分析与解决_张向明

（5）电磁兼容及其测试技术_陈炜峰

（6）某设备电磁兼容测试整改实例分析_高荣山

（7）我国电动汽车电磁兼容测试标准存在的问题及发展趋势_覃延明.