一文详解EMC测试实质

电磁兼容测试技术简介

随着科学技术的发展，电磁兼容设计的领域日益扩大，电磁兼容问题也愈演愈烈，例如所受到电磁干扰，收音机无法正常工作，某些电子设备的数据在传输过程中丢失，医疗电子设备工作异常，工业过程控制产生严重偏差或失误，因此需要对电子产品电磁兼容问题进行研究。

另一方面，电磁兼容已经由以前的发生后再被动处理发展到了主动在产品研发阶段对其预先分析、预测和设计，成为设计阶段的重要工作。国际社会上也有着严格的电磁兼容规范，欧共体从1996年就规定电器和电子产品必须符合电磁兼容性要求，加贴CE标识才允许销售，不符合标准的产品将被责令撤出市场，目前美国、加拿大、日本、澳大利亚等国家均颁布了相应法规。EMC测试项目中的两大类分别是(1)电磁干扰EMI测试(2)电磁抗扰度EMS测试。本文将对其部分做以介绍。

一、基本的EMI测试项目和EMS测试项目都有哪些呢?

示例：EMI测试项目有(EMI是设备产生的)(1)电源线传导(CE)骚扰测试;(2)信号、控制线传导(CE)骚扰测试;(3)辐射(RE)骚扰测试;(4)谐波电流测试;(5)电压波动和闪烁测试;EMS测试项目有(EMS是设备承受的)(1)静电放电抗扰度(ESD);(2)电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFT);(3)浪涌(SUGE);(4)辐射抗扰度(RS);(5)传导抗扰度(CS);(6)电压跌落与中断(DIP),对于用于军工的测试项目本文暂不做介绍。

二、EMC的测试实质是什么?

辐射发射测试:实质上就是测试立品中两种等效天线所产生的辐射信号。第一种是等效天线信号环路,这种辐射产生的源头是环路中流动着的电流信号(这种电流信号通常为正常工作信号,是一种差模信号,如时钟信号及其皆波),如图1所示。如果面积为S的环路中流动着电流强度为I、频率为f的信号,那么在自由空间中,距环路D处所产生的辐射强度为E=1.3SIf2/D,其中E为电场强度，S为环路面积，I为电流强度，f为信号频率，D为距离。

图1

电子产品中任何信号的传递都存在环路。如果信号是交变的,那么信号所在的环路都会产生辐射。当产品中信号的电流大小、频率确定后,信号环路产生的射强度与环路面积有关。因此,控制信号环路的面积是研究EMC问题的一个重要的课题。产品中产生无意射的另一种等效天线模型是单极天线,或对称偶极子天线,这些被等效成单极天线或对称偶极子天线的导体通常是产品中的电缆或其他尺寸长的导体。这种射产生的源头是电缆或其他尺寸长的导体中(等效天线)流动着的共模电流信号。它通常不是电缆或长尺寸导体中的有用工作信号,而是 一种寄生的“无用”信号,研究这种产生共模射的共模电流大小是研究射发射问题的重点。如图2所示,如果在天线上流动着电流强度为I、频率为F的信号,那么,在距天线D处所产生的辐射强度为：

当F≥30MHz,D≥1m并且L<λ/2时，E=0.63ILf/D，当L≥A/2时,E≈60×I/D式中,E为电场强度(uV/m);1为电流强度(A);为信号频率 (MHz);D为距离(m);L为电缆长度(m)。在电子产品中,除了产品功能电路原理图所表述的信息外,还存在非常多的未知信息 如信号线与信号线之间的寄生电容、寄生互感,信号线与参考地之间的寄生电容,信号线的 引线电感等。这些参数都是频率相关参数,而且值都很小,在直流或低频情况下,通常被设计者忽略。但是在射发射所考虑的高频范围内,这些参数将会产生越来越重要的影响。也 正是这些原因,使得产品中的这些等效天线(电缆或长尺寸导体)上寄生着一种非期望的 共模电流,它的电流强度很小(通常在mA级以下或A级),但却是产生产品射发射的 主要原因(这种共模电流的产生原理将在以后的章节中进行描述)。当产品中等效天线的长度大于天线中信号频率波长的1/2时,天线产生的幅射强度只与天线上共模电流的大小有关。可见,研究产品中电缆或长尺寸导体中的共模电流大小,对于控制产品的射发射具有极其重要的意义。

传导骚扰测试:LISN是电源端口传导騷抗测试的关键设备,从图3中可以看出,接收机接于LISN中的1k电阻与地之间,当接收机与LISN进行互连后,接收机信号输入口本身的阻抗50Ω与LISN中的1k电阻处于并联状态,其等效阻抗接近于50Ω,由此也可以看出,电源端口传导的实质就是测试50Ω阻抗(这个阻抗由LISN中的1k的电阻与接收机的输人阻抗并联而成)两端的电压。当阻抗50Ω一定时,电源端口传导骚扰的实质也可以理解为流过这个50Ω阻抗的电流的大小。在实际产品中有两种电流 会流过这个50Ω的阻抗,一种是图3中的Idm,另一种是图3中的Icm。无论是哪个,都会在接收机中示出测试值,而接收机本身无法判断由是哪种电流引起的传导骚扰。这需要设计者去控制与分析。控制产品中的抗电流不流过LISN和接收机并联组成的50Ω阻抗是解决电源端口传导骚问题的关键。通过大量的实践证明, 大部分的电源端口传导问题产生于Icm,它是一种共模电流,分析其路径和大小有 着极其重要的意义。

图2

三、EMC意义上的共模和差模指什么?

电压电流的变化通过导线传输时由两种形态,即共模和差模。设备的电源线,信号线等的通信线,与其他设备或外围设备相互交换的通讯线路,至少有两根导线,这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外还有第三个导体,这就是“地”。干扰电压和电流为两种:一种是两根导线分别作为往返线路传输;另一种是两根导线作为去路,地作为返回路传输。前者称为差模，后者称为共模。如下图所示,电源、信号源及其载通过两根导线连接。流过一边导线的电流与另一边导线的电流幅度相同,方同相反。

实际上,干源并不一定连接在两根导线之间。由于噪声源有各种形态,所以也有在两根导线与地之间的电压。其结果是流过两根导线的干抗电流幅度不同。如图所示,在加在两线之间的电压的驱动下,两根导线上有幅度相同但方向相反的电流(差模电流)。但如果同时在两根导线与地之间加上干扰电压,两根导线就会流过幅度和方向都相同的电流,这些电流(共模)合在一起经地流向相反方向。一根导线上的差模干电流与共模干扰同向,因此相加;另一根导线上的差模噪声与共模噪声反向,因此相减。所以,流经两根导线的电流具有不同的幅度。

考虑一下对地线的电压。如图所示,对于差模电压,一根导线上的电压为U1=Uc+Un,而另一根导线上的电压为U2=U-Uii,因而是平衡的。但共模电压两根导线上相同。 所以当两种模式同时存在时,两根导线对地线的电压也不同。

总结

电磁兼容已经由以前的发生后再被动处理发展到了主动在产品研发阶段对其预先分析、预测和设计，成为设计阶段的重要工作。国际社会上也有着严格的电磁兼容规范，欧共体从1996年就规定电器和电子产品必须符合电磁兼容性要求，加贴CE标识才允许销售，不符合标准的产品将被责令撤出市场，目前美国、加拿大、日本、澳大利亚等国家均颁布了相应法规。EMC测试项目中的两大类分别是(1)电磁干扰EMI测试(2)电磁抗扰度EMS测试。本文将对其部分做以介绍。