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電磁兼容(EMC)的標準與測試內容

     在國際范圍上,電磁兼容標準的制定已經有了70多年的發展歷程,最早為了保護無線電通信和廣播,國際無線電干擾特別委員會(CISPR)對各種用電設備和系統提出了相關的電磁干擾發射限值和測量方法。到了20世紀60~70年代,由于電子、電氣設備的小型化、數字化和低功耗化,人們開始考慮設備的抗干擾能力,世界各大標準化組織和各國政府機構也相繼制定了許許多多的電磁兼容標準。咱們今天就和海翎光電的小編一起來聊聊電磁兼容的基礎知識和測試內容。

    海翎光電的小編簡單做了個腦圖大綱,主要就圍繞這些內容來講解。
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    1、定義
    (1)EMC(Electro Magnetic Compatibility)直譯是“電磁兼容性”。意指設備所產生的電磁能量既不對其它設備產生干擾,也不受其他設備的電磁能量干擾的能力。
   (2) EMI(Electro Magnetic Interference)直譯為"電磁干擾",是指電子設備(干擾源)通過電磁波對其他電子設備產生干擾的現象。
示例:當我們看電視的時候,旁邊有人使用電吹風或電剃須刀之類的家用電器,電視屏幕上會出現的雪花噪點;電飯鍋煮不熟米飯;關閉了的空調會自行啟動……這些都是常見的電磁干擾現象。更為嚴重的是,如果電磁干擾信號妨礙了正在監視病情的醫療電子設備或正在飛行的飛機,則會造成不堪設想的后果。從這些例子來看,就好像是電子設備具有無形的“攻擊力”,對其他電子設備的正常運行造成了擾亂和破壞。
    (3)EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直譯為“電磁敏感度”,是指由于電子設備受到外界的電磁能量,造成自身性能下降的容易程度。
示例:例如同樣受到電吹風或電剃須刀的干擾,有些電視機的屏幕上出現了雪花噪點,有些電視機卻安然無恙。這表明在受到電磁干擾“攻擊”的情況下,前者的電磁敏感度較高,更易受傷,也就是“防御力”較低;而后者的電磁敏感度較低,不易受傷,即“防御力”較高。
   (4) 傳導干擾和輻射干擾:從“攻擊”方式上看,電磁干擾(EMI)主要有兩種類型:傳導干擾和輻射干擾。
    傳導干擾是指干擾源通過導電介質(例如電線)把自身電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。最常見的例子是我們電腦中的電源會對家里的用電網絡產生影響,在電腦開機的同時家里的電燈可能會變暗,這在使用雜牌劣質電源的電腦上表現得更為明顯。而在當今電源的內部結構中,一二級EMI濾波電路是必不可少的,這里的“EMI”針對的就是電磁傳導干擾,以防止電源工作時對外界產生太大的影響。
    輻射干擾是電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網絡或電子設備。如下圖,通過電源線相互產生的干擾是傳導干擾,通過電磁波產生的干擾是輻射干擾。
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    電磁干擾的產生原因:電壓/電流的變化中不必要的部分。電磁干擾的耦合途徑有兩種:導線傳導和空間輻射。
    導線傳導干擾原因是電流總是走“最小阻抗”路徑。以屏蔽線為例,低頻(f<1kHz)時,導線的電阻起到主要作用,大部分電流從導線的銅線中流過;高頻(f>10kHz)時,環路屏蔽層的感抗小于導線的阻抗,因此信號電流從屏蔽層上流過。
    干擾電流在導線上傳輸有兩種方式:共模和差模。
    一般有用的信號為差模信號,因此共模電流只有轉變為差模電流才能對有用信號產生干擾。阻抗平衡防止共模電流向差模轉變,可以通過多點接地用來降低地線公共阻抗,減小共地線阻抗干擾。
    空間輻射干擾分近場和遠場。近場又稱為感應場,與場源的性質密切相關。當場源為高電壓小電流時,主要表現為電場;當場源為低電壓大電流時,主要表現為磁場。無論是電場還是磁場,當距離大于λ/2π時都變成了遠場。遠場又稱為輻射場。遠場屬于平面波,容易分析和測量,而近場存在電場和磁場的相互轉換問題,比較復雜。
    這里面有問題的是如果導線變成天線,有時候就分不清是傳導干擾還是輻射干擾?
    低頻帶下特別是30 MHz以下的主要是傳導干擾。或者可以估算當設備和導線的長度比波長短時,主要問題是傳導干擾,當它們的尺寸比波長長時,主要問題是輻射干擾。
    干擾信號以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量,再以泄漏和耦合形式,通過絕緣支撐物等(包括空氣)為媒介,經公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統。
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舉例:900MHz,平面波的轉折點在50 mm
電磁波輻射有兩個必要條件:變化的電壓/電流和輻射天線。兩者缺一,都不會產生大量的輻射干擾。
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    有些資料會給出瞬態干擾的概念,顧名思義:時間很短但幅度較大的電磁干擾。瞬態干擾一般指各類電快速脈沖瞬變(EFT)、各類浪涌(SURGE)、靜電放電(ESD)等三種。
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    重點:消除其中任何一個因素就可以滿足電磁兼容設計的要求。切斷耦合途徑是最有效的電磁兼容處理措施。了解下傳播路徑:
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    電磁干擾可以通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的傳導干擾,也有通過空間直接傳播的空間輻射干擾。這些干擾或者噪聲并不是獨立存在的,在傳播過程中又會出現新的復雜噪聲,這種問題疊加問題才是解決問題的難點。
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近場區,波阻抗與輻射源的位置、阻抗、頻率及輻射源周圍的介質有關;遠場區,波阻抗等于電磁波傳播介質的特性阻抗;在真空中,波阻抗為377Ω。
由377Ω想到自由空間的特性阻抗:
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    有個基礎概念需要講一講:dB&dBm區別。dB之前的常提常見。dBm是功率相對于1 mW的值。至于區別,上公式比較直接:

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05環路
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    電流在傳遞路徑與返回路徑中形成的環路是PCB輻射發射的一個原因。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,信號環路產生的輻射強度與環路面積有關,管控信號環路的面積可以控制EMC問題。

單點&多點接地
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    電子設備是否選擇單點接地,主要取決于系統的工作信號頻率和接地線的長度,即其表征量L/λ。L/λ<=0.1時,選擇單點接地,單點接地的應用范圍一般在300kHz以下,在有些場合也可用在1MHz以下。當地線長度為1/4波長的奇數倍時,地線阻抗變得很高,產生天線效應,即地線像天線一樣向外輻射噪聲信號。若用一點接地,地線長度不得超過波長的1/20,否則應采用多點接地。
散熱&屏蔽
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屏蔽和散熱是互相矛盾的,散熱孔一般是一組孔洞,利用風扇進行強迫對流,這些孔洞將會引起電磁泄漏,使屏蔽效果下降,孔洞越大,屏蔽效果越差。通常系統的外殼都配置了散熱孔,這種散熱孔會影響整個系統的屏蔽性能。
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EMC測試項及標準

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EMI測試項:輻射騷擾電磁場(RE)、騷擾功率(DP)、傳導騷擾(CE)、諧波電路(Harmonic)、電壓波動及閃爍(Flicker)、瞬態騷擾電源(TDV)
EMS測試:輻射敏感度試驗(RS)、工頻磁場抗擾度(PMS)、靜電放電抗擾度(ESD)、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度測試(CS)、電壓暫降,短時中斷和電壓變化抗擾度測試(DIP)、浪涌(沖擊)抗擾度測試(SURGE)、電快速瞬變脈沖群抗擾度測試(EFT/B)、電力線感應/接觸(Power induction/contact)
國際標準化組織:國際電工委員為IEC、國際標準華組織ISO、電氣電子工程師學會IEEE、歐盟電信標準委員會ETSI、國際無線電通信咨詢委員CCIR、國際通訊聯盟ITU
國際電工委員會IEC有以下分會進行EMC標準研究:CISPR國際無線電干擾特別委員會、TC77電氣設備(包括電網)內電磁兼容技術委員會、TC65工業過程測量和控制、FCC聯邦通、VDE德國電氣工程師協會、VCCI日本民間干擾
國際標準化:BS英國標準、ABSI美國國家標準、GOSTR俄羅斯政府標準、GB、GB/T中國國家標準
EMC測試結果的評價
A級:實驗中技術性能指標正常
B級:試驗中性能暫時降低,功能不喪失,實驗后能自行恢復
C級:功能允許喪失,但能自恢復,或操作者干預后能恢復
R級:除保護元件外,不允許出現因設備(元件)或軟件損壞數據丟失而造成不能恢復的功能喪失或性能降低

    電磁兼容測試分為兩大類:一類是電磁干擾度(EMI)測試,測試電子產品系統對其他設備、對電磁空間的干擾發射情況。一類是電磁抗擾度(EMS)測試,測試電子設備抵御空間電磁干擾的能力。
   國家標準中EMI測試項目為2項,軍用標準中EMI測試項目為7項,EMS測試項目為10項,軍用保證EMS測試項目為12項。列出不同數量測試項目,說明針對不同行業,有著不同要求,這個也好理解。問題是EMC測試有不同標準,各個行業再依據標準進行細化,確定自己滿足的等級和要求。

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    EMI測試場地有半電波暗室、全電波暗室、開闊場三種。
    產品相關EMC測試是必須的,產品EMC測試出現相關問題,整改方向:

1.靜電抗擾度測試—>屏蔽

2.電快速瞬變脈沖群抗擾度測電源隔離,使用屏蔽雙絞線&安裝磁環。

3.浪涌(沖擊)抗擾度測試安裝浪涌抑制器

4.射頻場感應的傳導騷擾抗擾度測試屏蔽、接地、濾波

5.射頻電磁場輻射抗擾度測試導電泡棉將線纜壓緊,保持最小的縫隙。

6.傳導發射電源隔離、濾波、接地、減小回路面積。

7.輻射發射出現超標屏蔽接地,檢查連接,安裝磁環,檢查模擬設備。

 

    07
    產品電磁兼容性設計,必須通過整體設計,從電路設計到元器件選型,從PCB制版到樣機調試,從電子設備的測試到發布,每一步都要考慮有可能引起的電磁兼容問題,從產品最初規劃到最后認證結束,每一步都要融入電磁兼容設計思想,才能真正管控好電磁兼容問題。

    08 分貝(dB)
    分貝(dB)的概念:分貝(Decibel,dB)是電磁兼容中常用的基本單位。是一個純計數單位,本意是表示兩個量的比值大小,沒有單位。
    dB就是把一個很大(后面跟一長串0的)或者很小(前面有一長串0的)的數比較簡短地表示出來。如(此處以功率為例):

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    在電子工程領域,放大器增益使用的就是dB(分貝)。放大器輸出與輸入的比值為放大倍數,單位是“倍”,如10倍放大器,100倍放大器。當改用“分貝”做單位時,放大倍數就稱之為增益,這是一個概念的兩種稱呼。
電學中分貝與放大倍數的轉換關系為:

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分貝定義時電壓(電流)增益和功率增益的公式不同,但我們都知道功率與電壓、電流的關系是P=V^2/R =I^2*R。采用這套公式后,兩者的增益數值就一樣了:

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    使用分貝做單位主要有三大好處。

    (1)數值變小,讀寫方便。電子系統的總放大倍數常常是幾千、幾萬甚至幾十萬,一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出,一共要放大2萬倍左右。用分貝表示先取個對數,數值就小得多。
    (2)運算方便。放大器級聯時,總的放大倍數是各級相乘。用分貝做單位時,總增益就是相加。若某功放前級是100倍(20dB),后級是20倍(13dB),那么總功率放大倍數是100×20=2000倍,總增益為20dB+13dB=33dB。
    (3)符合聽感,估算方便。人聽到聲音的響度是與功率的相對增長呈正相關的。例如,當電功率從0.1瓦增長到1.1瓦時,聽到的聲音就響了很多;而從1瓦增強到2瓦時,響度就差不太多;再從10瓦增強到11瓦時,沒有人能聽出響度的差別來。如果用功率的絕對值表示都是1瓦,而用增益表示分別為10.4dB,3dB和0.4dB,這就能比較一致地反映出人耳聽到的響度差別了。您若注意一下就會發現,Hi-Fi功放上的音量旋鈕刻度都是標的分貝,使您改變音量時直觀些。

    分貝數值中,-3dB和0dB兩個點是必須了解的。-3dB也叫半功率點或截止頻率點。這時功率是正常時的一半,電壓或電流是正常時的0.707。在電聲系統中,±3dB的差別被認為不會影響總特性。所以各種設備指標,如頻率范圍,輸出電平等,不加說明的話都可能有±3dB的出入。0dB表示輸出與輸入或兩個比較信號一樣大。分貝是一個相對大小的量,沒有絕對的量值。可您在電平表或馬路上的噪聲計上也能看到多少dB的測出值,這是因為人們給0dB先定了一個基準。例如聲級計的0dB是2×10-4μb(微巴),這樣馬路上的噪聲是50dB、60dB就有了絕對的輕響概念。常用的0dB基準有下面幾種:

dBFS——以滿刻度的量值為0dB,常用于各種特性曲線上;
dBm——在600Ω負載上產生1mW功率(或0.775V電壓)為0dBm,常用于交流電平測量儀表上;
dBV——以1伏為0dB;
dBW——以1瓦為0dB。

    一般讀出多少dB后,就不用再化為電壓、聲壓等物理量值了,專業人士都能明白。只有在極少數場合才要折合。這時只需代入公式:10A/20(或A/10)×D0計算即可。A為讀出的分貝數值,D0為0dB時的基準值,電壓、電流或聲壓用A/20,電功率、聲功率或聲強則用A/10。

附錄:概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc, dBuV

    (1) dBm:dBm是一個考征功率絕對值的值,計算公式為:10lgP(功率值/1mw)。

[例1] 如果發射功率P為1mw,折算為dBm后為0dBm。
[例2] 對于40W的功率,按dBm單位進行折算后的值應為:
10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。
dBm是功率單位;
dBm 定義的是 miliwatt。0 dBm = 10log1 mw;
dBw 定義 watt。0 dBw = 10log1 W = 10log1000 mw = 30dBm。

    (2)dBi 和dBd:dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),兩者都是一個相對值,但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線,dBd的參考基準為偶極子,所以兩者略有不同。一般認為,表示同一個增益,用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。
[例3]對于一面增益為16dBd的天線,其增益折算成單位為dBi時,則為18.15dBi(一般忽略小數位,為18dBi)。
[例4] 0dBd=2.15dBi。
[例5]GSM900天線增益可以為13dBd(15dBi),GSM1800天線增益可以為15dBd(17dBi)。
    (3)dB:dB是一個表征相對值的值,當考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時,按下面計算公式:10lg(甲功率/乙功率)
[例6]甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是說,甲的功率比乙的功率大3dB。
[例7] 7/8 英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。
[例8] 如果甲的功率為46dBm,乙的功率為40dBm,則可以說,甲比乙大6dB。
[例9] 如果甲天線為12dBd,乙天線為14dBd,可以說甲比乙小2dB。

    (4)dBc:有時也會看到dBc,它也是一個表示功率相對值的單位,與dB的計算方法完全一樣。一般來說,dBc是相對于載波(Carrier)功率而言,在許多情況下,用來度量與載波功率的相對值,如用來度量干擾(同頻干擾、互調干擾、交調干擾、帶外干擾等)以及耦合、雜散等的相對量值。在采用dBc的地方,原則上也可以使用dB替代。

    (5)dBuV:根據功率與電平之間的基本公式V^2=PR,可知dBuV=90+dBm+10log®,R為電阻值。載PHS系統中正確應該是dBm=dBuv-107,因為其天饋阻抗為50歐。
    (6)dBuVemf 和dBuV:emf:electromotive force(電動勢)對于一個信號源來講,dBuVemf是指開路時的端口電壓,dBuV是接匹配負載時的端口電壓定義為兩個功率的比

    09 傳導干擾耦合形式:
    共阻抗耦合:由兩個回路經公共阻抗耦合而產生,干擾量是電流i,或變化的電流di/dt。
    容性耦合:在干擾源與干擾對稱之間存在著耦合的分布電容而產生,干擾量是變化的電場,即變化的電壓du/dt。
    感性耦合:在干擾源與干擾對稱之間存在著互感而產生,干擾量是變化的磁場,即變化的電流di/dt。

    10  輻射干擾耦合形式:

  • 差模輻射:電流在信號環路中流動產生,PCB主要產生差模輻射(磁場、電感產生磁場)
  • 共模輻射:由于導體的電位高于參考電位產生,線纜主要產生共模輻射(電場、電容產生電場)

    11 電場和磁場
磁場:導體上的電流產生磁場,磁場強度單位:A/m;電流產生磁場,變化的磁場產生電流。

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電場:導體之間的電壓產生電場,電場強度單位:V/m

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    12 波阻抗
    電磁場包括電場和磁場,電場有電場強度,磁場有磁場強度。電磁場中的電場強度和磁場強度的比例并不是固定的,有些電磁場中的電場強些,有些電磁場中的磁場強些。
    我們用電場強度與磁場強度的比值來表征一個電磁場,這個比值叫做波阻抗,用ZW表示。
    波阻抗與輻射源有關系,很好記,輻射源是低阻抗,產生的電磁波也是低阻抗,反之亦然。
    波阻抗還與觀測點到輻射源的距離有關,當距離大于波長的1/6時,無論輻射源阻抗是多少,波阻抗都是377歐;我們稱與輻射源之間的距離小于1/6波長的范圍為近場區,大于1/6波長的更遠處為遠場區。
好了,海翎光電的小編就介紹到這里。參考的書籍列在下面了
參考書籍:
EMC電磁兼容設計與測試案例分析
電磁兼容(EMC)設計與測試

上一條:路由 12 問 下一條:BGP基礎知識
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