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四種方法幫你應對電磁兼容測試設備故障

-2018-09-03-

其實大多工程師所了解的電磁兼容性一般來說就是:設備或系統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測試包括兩大方面內容:對其向外界發送的電磁騷擾強度進行測試,以便確認是否符合有關標准規定的限制值要求;對其在規定電磁騷擾強度的電磁環境條件下進行敏感度測試,以便確認是否符合有關標准規定的抗擾度要求。對于從事單片機應用系統設計的工程技術人員來說,掌握一定的EMC測試技術是十分必要的。

1 单片机系统EMC测试

(1)測試環境

爲了保證電磁兼容測試設備測試結果的准確和可靠性,電磁兼容性測量對測試環境有較高的要求,測量場地有室外開闊場地、屏蔽室或電波暗室等。

(2)測試設備

電磁兼容測量設備分爲兩類:一類是電磁幹擾測量設備,設備接上適當的傳感器,就可以進行電磁幹擾的測量;另一類是在電磁敏感度測量,設備模擬不同幹擾源,通過適當的耦合/去耦網絡、傳感器或天線,施加于各類被測設備,用作敏感度或幹擾度測量。

(3)測量方法

電磁兼容性測試依據標准的不同,有許多種測量方法,但歸納起來可分爲4類;傳導發射測試、輻射發射測試、傳導敏感度(抗擾度)測試和輻射敏感度(抗擾度)測試。

(4)測試診斷步驟

(5)測試准備

①試驗場地條件:EMC測試實驗室爲電波半暗室和屏蔽室。前者用于輻射發射和輻射敏感測試,後者用于傳導發射和傳導敏感度測試。

②環境電平要求:傳導和輻射的電磁環境電平好遠低于標准規定的極限值,一般使環境電平至少低于極限值6dB。

③試驗桌。

④測量設備和被測設備的隔離。

⑤敏感性判別准則:一般由被測方提供,並實話監視和判別,以測量和觀察的方式確定性能降低的程度。

⑥被測設備的放置:爲保證實驗的重複性,對被測設備的放置方式通常有具體的規定。

(6)測試種類

傳導發射測試、輻射發送測試、傳導抗擾度測試、輻射抗擾度測試。

(7)常用測量儀

電磁幹擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)測試,需要用到許多電子儀器,如頻譜分析儀、電磁場幹擾測量儀、信號源、功能放大器、示波器等。由于EMC測試頻率很寬(20Hz~40GHz)、幅度很大(μV級至kW級)、模式很多(FM、AM等)、姿態很多(平放、斜放等),因此正確地使用電子儀器非常重要。測量電磁幹擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規律顯示出來的儀器,它顯示的波形稱爲頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁幹擾中的缺點,能夠精確測量各個頻率上的幹擾強度,用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。

在解決電磁幹擾問題時,重要的一個問題是判斷幹擾的來源。只有准確將幹擾源定位後,才能夠提出解決幹擾的措施。根據信號的頻率來確定幹擾源泉是簡單的方法,因爲在信號的所有特征中,頻率特征是穩定的,並且電路設計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此,只要知道了幹擾信號的頻率,就能夠推測出幹擾是哪個部位産生的。對于電磁幹擾信號,由于其幅度往往遠小于正常工作信號,用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄,因此能夠將與幹擾信號頻率不同的信號濾除掉,精確地測量出幹擾信號頻率,從而判斷産生幹擾信號的電路。

2 电磁兼容故障排除技术

(1)傳導型問題的解決

①通過串聯一個高阻抗來減少EMI電流。

②通過並聯一個低阻抗將EMI電流短路到地或引到其它回路導體。

③通過電流隔離裝置切斷EMI電流。

④通過其自身作用來抑制EMI電流。

(2)電磁兼容的容性解決方案

一种常见的现象是不把滤波电容的一侧看成直接与一个分离的阻抗相连,而看成与传输线相连。典型的情况是,当一条输入输出线的长度达到或超过1/4波长时,该传输线变“长”。实际可以用下式近似表示这种变化:l ≥ 55/f

式中:l單元爲m,f單位爲MHz。這個公式考慮了平均傳播速度,它是自由空間理論的0.75倍。

a. 电介质材料及容差:电磁干扰滤波使用的大部分电容是无极性电容

b. 差模(线到线)滤波电容性电容

c. 共模(线到地/机壳)滤波电容

共模(CM)去耦通常使用小電容(10~100nF)。小電容可以將不期望的高頻電流在其進入敏感電路之前或在其離噪聲電路較遠時就將其短路到機殼上去。爲了得到良好的高頻衰減電路,減小或消除寄生電感是關鍵之所在。因此有必要使用超短導線,尤其希望使用無引線元器件。

(3)感性、串聯損耗電磁兼容解決方案

就電容而言,Zs和Z1如果不是純電阻的話,在計算頻率時,要使用它們的實際值。電容器串聯在電源或信號電路時,必須滿足:

①流過的工作電流不應該引起電感過熱或過大的有過之而無不及降;

②流過的電流不能引起電感磁飽和,尤其是對高導磁材料是毫無疑問的。

解決方案有以下幾種:

磁芯材料;

鐵氧體和加載鐵氧體的電纜;

電感、差模和共模;

接地扼流圈;

組合式電感電容元件。

4)輻射型問題的解決

在很多情況下,輻射電磁幹擾問題可能在傳導階段産生並被排除,還有些解決方案是可以抑制幹擾裝置在輻射傳輸通道上,就像場屏蔽那樣工作。根據屏蔽理論,這種屏蔽的效果主要取決于電磁幹擾源的頻率、與屏蔽裝置之間的距離以及電磁幹擾場的特性——電場、磁場或者平面波。

①导体带。使用铜或铝带要吧简单快速地建立一种直接的屏蔽和低阻连连接或总线。它们对于临时的解决方案和相对久的解决方案来说是很方便的。厚度在0.035~0.1mm之间,并且背面带有导电黏合剂以便安装。如果使用铜导电带,其通过电阻约 20mΩ/cm2。應用場合:电气屏蔽罩;发生故障时泄露点定位;作为一个应急的解决方案,将塑料连接器变成金属的、屏蔽普通的扁平电缆等。

②網狀屏蔽帶和拉鏈式外套。塗錫的鋼網帶:主要用來安裝在一個已經裝配好的電費護套上作爲一種易安裝的繃帶型的屏蔽罩。爲了降低電費的磁場輻射或敏感問題,鋼網帶是一種有效的解決方案。

拉鏈式屏蔽外套:當有明顯迹象表明電費是主要的引起EMI耦合的原因時使用。

③EMI密封墊。應用場合:當下述條件存在,並且需要真正的SE時,EMI密封墊是最常用的解決輻射問題、敏感問題、ESD、電磁脈沖和TEMPEST問題的方法。

已經把機箱泄漏確認爲主要的輻射路徑。

齧合面不夠光滑、平整或不夠硬、本身無法提供良好的連接接觸。

④窗口和通風板的EMI屏蔽:適合對孔徑的屏蔽。

平面波的大概模型是:SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中,SE單位爲dB;l爲網格或網孔的尺寸,單位爲mm;f單位爲MHz。當然,隨著頻率的下降,網孔的屏蔽效率SE的上限受限于金屬本身。在近區場,對H場的屏蔽,其屏蔽功率SHE不受頻率的影響,可由下式近似得出:SEH≈10lg(πr/l)

其中,r爲源到屏蔽罩之間的距離,l爲網孔尺寸,兩者單位均爲mm.

⑤導電塗料:應用于在系統的塑料外殼建立EMI屏蔽罩、發送現有普通的或惡化的導電表面的屏蔽效能SE、防止ESD或靜電積累現象、增大結合面或密封墊片的接觸面積。

⑥導電箔:鋁是一種良導體,在10MHz以下沒有吸收損耗,但它對于電場的任何頻率都有較好的反射損耗。應用場合請參閱有關資料。

⑦導電布:可應用于任何100kHz到GHz級頻率範圍需要達到30~30dB衰減的立體屏蔽場合中。

3 电磁兼容性新器件新材料的应用

3.1 电源线滤波器

電源線濾波器安裝在電源線與電子設備之間,用于擬制電能傳輸中寄生的電磁幹擾,對提高設備的可靠性有重要作用。濾波器允許一些頻率通過,而對其它頻率的成份加以擬制。根據幹擾源的特性、頻率範圍、電壓和阻抗等參數及負載特性的要求,適當選擇濾波器。

3.2 信号阻隔变压器

脉冲型(数字或晶闸管门驱动)或模拟隔离式变压器与交流电源中使用的隔离变压器与交流电源中使用的隔离变压器的原理相同,但传输频带却完全不同,有用信号处理对变压器的一些性能要求(例如失真、3dB带宽、损耗、对称性、阻抗、脉冲延时等)非常严格。这种变压器属于宽带设备,最高频率与最低频率的比值 fMAX/fMIN达到数十倍。通过在发送端或接收端切断共模地环路,隔离变压器在不改变差模信号的同时拟制共模噪声。由于共模电压是加在变压器一次侧、二次侧的两边,这种隔离器必须具有较高的击穿电压:典型值为1.5kV,某些场合则高达10kV。

信號變壓器的主要優點是它的簡單、耐用、持久和線性,而且價格適中。當頻率增加時,其電磁兼容性能下降。

應用場合:

當需要環路隔離時,其頻率範圍從直流到幾十MHz;

在低噪聲和低失真條件下傳輸模擬小信號(≤10mV)時,信號線上可能存在幾V至幾kV的共模電壓;

在晶閘管應用電路中,將觸發器驅動電路與共模電壓隔離;

作爲一個現場解決方案,可用來切斷一個地環路和搭建一個平衡連接或非平衡連接傳輸線路。

3.3 电源隔离变压器、电源稳压器和不间断电源

(1)電源隔離變壓器

普通的隔離變壓器可以在低頻範圍切斷主電源線的接地環路。當頻率升高時,電氣隔離由于一次側間寄存電容C1-2的存在而下降。爲了減少寄生電容的影響,可以使用落系、螺旋狀、分立式的一次和二次繞組,這樣可以將寄生電容減小爲原爲的1/3~/10。

(2)法拉第屏蔽變壓器

在一次和二次線圈之間包著一層鋁箔或銅箔,並使之不與線圈接觸以免形成短路。法拉第屏蔽或靜電屏蔽層接地。應用範圍如下:

應用于入室電源或電源分配箱上,作爲簡單1:1的隔離變壓器,隔離50/60Hz的地環路;

在同一系統中的某一部分重新産生對地保持中性的交流電源,與總電源分配點保持電氣隔離;

應用于當系統中存在很大的對地漏電電流時,防止過渡頻繁觸發系統中的接地故障檢測器;

可以與電源線濾波器結合使用,電源線濾波器的衰減特性僅開始于幾十或幾百kHz以上。

3.4 暂态抑制器

變阻器和固態變阻器(transzorbs)是具有非線性V-I特性曲線的元件,可以作爲穩壓元件。當電壓通過該器件後就被箝位在等于或大于擊穿電壓VBR的電壓值上。該器件的響應速度快,但在處理的能量值上有一定限制。

3.5 搭接、接地连续性和减少RF阻抗器件

①接地編織層或金屬帶寬而扁的導線比同樣橫截而積的圓導線具有較小的電感。作爲優先的選擇參考,可以使用:扁平金屬帶;帶有扁平接地端子的扁平編織層;圓形、多股絞線的跳線。

②印制电路板(PCB)接地垫片。为了建立一个更直接的低阻扰电磁干扰电流接收器,需要使用接地垫片。通常在树脂型垫片中间有一个弹簧夹,用以在一边的 OV铜板上和加一边PCB的安装底盘上提供较强的可靠压力。由于弹簧是铜锡材料制成的,电气接触性能良好,接触电阻为mΩ数量级。

③金屬電費線槽及其肥共的金屬編織層。金屬電纜托架、公共導線和金屬編織層的作用是傳輸幾個相互連接的設備之間的部分接地EMI環流。可以把它看作是不同底盤或地線之間的共模短路通道,但實際上除了直流或交流50/60Hz,這種方法不能應用于較長的距離;可用于計算機室、工廠車間或其它有許多非屏蔽電費的大型場地,不可能或很難將它們換成屏蔽電費或裝入管道。

④地阻抗減小,墊高的金屬底板接地襯墊。爲了減少傳導瞬態幹擾的輸入和周圍環境射頻場對系統的影響,可以通過設置室內參考接地板或接地網絡加以改善。通過這種方法,可以很容易地在高達幾百MHz的頻率上達到20dB的改善,也可以減少在同一個房間裏的不同設備之間的地電位偏差。

另一種技術:在室內,建議安裝擡高的金屬底板(RMF),利用地磚的筋條作爲接地參考柵格;把把塑料減震墊片換成導電減震墊片,就可以建立很好的、持久的電氣連接。

⑤臨時接地板。這種後各解決方案最初是IBM公司的安裝規劃工程師們使用的,即安裝一塊銅板或電鍍鋼板。對于那些沒有“實際地”的場合,由于臨時接地板與建築特結構之間有較大的電容(300~1000pF),這給電磁幹擾濾波器、瞬態保護器和隔離變壓器的法拉第屏蔽層提供了有較的吸收裝置。在高頻端,這種虛地比長的、綠的或黃綠的接地導線更有效。

結語

在实际EMC测试应用中除了通过标准资格实验室的鉴定测试以外,还有两种可行的方法也是被业界所认可的:TCF和Self Ceritification(自检证明)。抗干扰能力测试是十分实用的测试项目。实现电磁兼容的最好办法是,将所有的数字及模拟电路均视为对高频信号响应的电路,用高频设计方法来处理电费屏蔽、PCB布线和共模滤波。采用整块地平面和电源面也很重要,对模拟电路也该如此,这样做有利于限制高频共模环环。大多数瞬态干扰均属高频,并产生很强的辐射能量。