快速組建一個(gè)電磁兼容實(shí)驗室的方法

組建一個(gè)電磁兼容實(shí)驗室的方法

產(chǎn)品必須符合EMC（電磁兼容）要求，歐洲規定：銷(xiāo)售違反電磁兼容法令(89/336/EEC)的產(chǎn)品將面臨高額罰款，因此，商家越來(lái)越重視產(chǎn)品的電磁兼容性問(wèn)題，為了降低成本，要根據公司需求和規模的不同，組建一個(gè)EMC實(shí)驗室，本文介紹建設公司內部EMC測試設備的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和方法。

組建一個(gè)電磁兼容實(shí)驗室的最小需求取決于公司的需要和財務(wù)狀況。通常，公司將力求節省經(jīng)費（在設備和人力資源兩方面)，并盡量降低風(fēng)險。但有一點(diǎn)必須明白，世界上不會(huì )有&ldquo；低成本、低風(fēng)險和低EMC技術(shù)&rdquo；這樣的好事。工程師必須掌握高度的技巧，才可能設計出具有相當性能的低成本設備。精度越低的產(chǎn)品，其風(fēng)險也會(huì )越高。

在組建一個(gè)公司內部EMC實(shí)驗室時(shí)，無(wú)論其規模大小如何，都必須遵從一些最起碼的指導原則。首先，建成EMC實(shí)驗室的房間或地方必須潔凈，沒(méi)有無(wú)關(guān)物品，完）全專(zhuān)用于EMC測量。只要條件許可，絕對需要一個(gè)由金屬制成并可靠連接大地的地參考平面；如果條件不允許(如房間不在第一層），至少應該接保護地系統。實(shí)驗室內的所有金屬物體必須可靠接地或予以清除。電源系統必須&ldquo；凈化&rdquo；(在電源進(jìn)入EMC實(shí)驗室之前的某處正確接入線(xiàn)濾波器）。

1)傳導發(fā)射測試---需要一臺頻譜分析儀（或EMI接收器）、電纜和LISN（線(xiàn)阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )，手工制作或外購)，如果可能的話(huà)，還應該有一個(gè)屏蔽房間（最起碼有一個(gè)屏蔽帳篷)和一張距地面80cm的絕緣桌。

2)輻射發(fā)射測試---需要同樣的頻譜分析儀或EMI接收器、一副天線(xiàn)、電纜和OATS(開(kāi)放區域測試場(chǎng)地或（半）電波暗室)；為測量干擾功率而制作或外購的吸收鉗。

3）諧波測試(與閃爍測試）---如果要進(jìn)行完）全兼容測試，則需要專(zhuān)用設備(專(zhuān)用諧波分析儀)；但如果僅為評估的話(huà)，一臺便攜式諧波分析儀甚至一臺能進(jìn)行FFT評估的示波器就足夠了。

4)ESD（靜電釋放）抗擾度測試---只有ESD槍才能可靠評估該項測試的結果。

5)輻射電磁場(chǎng)抗擾度測試---需要與輻射發(fā)射測試類(lèi)似的設備，此外還需要信號發(fā)生器、放大器、衰減器、場(chǎng)強儀，可能還需要一臺計算機。

6)傳導騷擾抗擾度測試---需要的設備與1)和5)類(lèi)似，另外再加上CND（異種耦合解耦網(wǎng)絡(luò )），但不需要天線(xiàn)。

7)電快速瞬變（EFT/Burst)抗擾度測試。

8）浪涌抗擾度測試。

9）電源頻率磁場(chǎng)抗擾度測試。

10)電壓驟降、短時(shí)中斷與電壓變化抗擾度測試。從7)到10)的最后四項測試需要專(zhuān)用設備，這些設備可從多個(gè)廠(chǎng)商買(mǎi)到。

值得注意的是，測量設備的制造商和經(jīng)銷(xiāo)商通常提供執行不同測試的包裝和（或）全套裝置，以及有關(guān)如何按照最新標準執行這些測試的指導甚至培訓。請向最近的當地銷(xiāo)售代表查詢(xún)設備的性能和功用。大部分情況下，設備都有根據標準需求預設的測試程序，請首先閱讀說(shuō)明手冊。

公司內部預兼容測試

預兼容測試并無(wú)定義，但最起碼我們有理由假定測試必須在盡可能接近標準要求的條件下進(jìn)行。

1)傳導發(fā)射的測試多年來(lái)，電子產(chǎn)品制造商遇到的最困難的問(wèn)題可能就是在傳導發(fā)射方面，因此本文首先就此進(jìn)行討論。傳導發(fā)射的測試裝置。這個(gè)裝置是根據CISPR22（EN55022）組建的，而且使用的設備必須符合CISPR16-1的要求。該裝置主要包括：EUT（被測設備)，如果它是臺式的，必須安放在一個(gè)距地面80cm高的絕緣桌上；輔助設備(外設)，按正常使用方式連接，未使用的輸入和輸出必須正確端接，多余的電纜必須截短，或繞成直徑30~40cm的一卷。頻譜分析儀（或EMI接收器）在0.15~30MHz的頻率范圍內必須具有9kHz的分辨率帶寬（RBW)。測量過(guò)程在CISPR16-1和產(chǎn)品規范標準中有詳細描述，如果正確執行，其結果與第三方實(shí)驗室的測試將不會(huì )有太大出入。

2)干擾功率測試干擾功率測試（30~300MHz）方法與1）有點(diǎn)類(lèi)似，但此時(shí)號將來(lái)自吸收鉗（而非LISN）。CISPR 16-1和產(chǎn)品系列標準詳細介紹了測試裝置。概括地說(shuō)，就是將吸收鉗放置在被測電纜(干線(xiàn)、直流、音頻/視頻）周?chē)?，并沿?zhù)一根6m長(cháng)線(xiàn)移動(dòng)，以查找每個(gè)頻率點(diǎn)上的最大發(fā)射值。輻射發(fā)射測試裝置。雖然這項測試看起來(lái)似乎要比前一項測試復雜一些，但實(shí)際上并不特別困難。由圖可見(jiàn)，EUT被安放在一張絕緣桌面的轉臺上，距地面80cm，以便在測試過(guò)程中通過(guò)轉動(dòng)EUT來(lái)找出最大發(fā)射值。天線(xiàn)安裝在天線(xiàn)竿上，并可在1~4m之間移動(dòng)，目的同樣是為了找出最大發(fā)射值。EUT與天線(xiàn)中心（上有標記）的距離為3m或10m。接收器裝置同樣按照CISPR16-1制作，在30~1000MHz的接收范圍內其分辨率帶寬必須為120kHz。針對輻射發(fā)射測量，接收器可能有一個(gè)設定。對于上述的所有測量，需要注意在評估結果時(shí)必須將一些修正因子納入考慮。首先，對于所有測量裝置，±；4dB為接受的不確定區間，這一點(diǎn)在CISPR16-1的附錄L中有所闡述。其次，電纜衰減和連接器衰減也必須予以考慮。但是除此之外，還有更多因素必須予以考慮。對于傳導發(fā)射，必須考慮LISN的阻抗偏差及其容限。不過(guò)，它的最大誤差只有2~4dB。吸收鉗的情況就不一樣了，其衰減在14～22dB之間，平均17dB。輻射發(fā)射測試中的因子最大，其N(xiāo)SA（歸一化位置衰減）-24~24dB。在這種情況下，無(wú)法進(jìn)行任何近似，而且在執行測試時(shí)還必須使用天線(xiàn)因子。此外，根據設計實(shí)踐經(jīng)驗，在將產(chǎn)品送往第三方實(shí)驗室進(jìn)行測試之前，還應當額外預留6dB的設計余量。

3）諧波和閃爍測試諧波和閃爍測試沒(méi)有環(huán)境方面的要求。只需將EUT連接到諧波分析儀的電源入口，并根據廠(chǎng)商的說(shuō)明和標準的要求執行測試即可。同樣，測試設備將包含一些已有的設置，但工程師必須確保這些測試設置符合自己產(chǎn)品的標準要求。如果評估時(shí)使用其他方法(如便攜式電源諧波分析儀)，請仔細閱讀標準要求，然后再評估測量結果。

4)ESD抗擾度測試

ESD抗擾度測試對于大型設備可能并不是很重要。但在今天這個(gè)各種產(chǎn)品普遍小型化的時(shí)代，ESD測試已成為大部分設備的“關(guān)鍵"; EMC測試之一，例如對便攜式計算器、MP3和MD播放器、USB存儲棒、音頻設備等等。其測試裝置。由圖可見(jiàn)，EUT仍然安放在一張絕緣桌上，位于HCP(水平耦合平面，由一種金屬傳導材料制成）上，并通過(guò)一個(gè)絕緣抗靜電襯墊與其隔離。VCP(垂直耦合平面)和HCP分別連接到地參考平面，每個(gè)連接端各使用一只470kΩ的電阻。對于EUT的每個(gè)側面和VCP、HCP，以及EUT上每個(gè)用手能觸摸到的金屬表面，分別使用鋒利尖）端進(jìn)行接觸放電(直接放電），通常每個(gè)極性5次。對于機箱的所有塑料部分，則利用圓形尖）端進(jìn)行空氣放電（間接放電）。

5)輻射電磁場(chǎng)抗擾度的測試輻射電磁場(chǎng)抗擾度的測試裝置與輻射發(fā)射測試非常類(lèi)似，但是在這項測試中，信號發(fā)生器和功率放大器將饋送給天線(xiàn)，以便在EUT附近產(chǎn)生“均勻電磁場(chǎng)"(±6dB)(在頻率范圍80~1000MHz、AM、1kHz、80%調制深度下為3V/m或10V/m)。需要注意的是，不同產(chǎn)品的頻率范圍也不相同。

6)傳導騷擾抗擾度測試

傳導騷擾抗擾度測試的目的是在EUT端口輸入建立3V電平（有效值，150kHz~230MHz、AM、1kHz、80%調制深度）。信號發(fā)生器和功率放大器必須提供足夠的功率，以便CDN能將信號耦合到被測線(xiàn)。由于測試項目3）、7）、8）、9）、10）使用的是高度專(zhuān)業(yè)化的設備，如果實(shí)驗室中有這些設備，工程師無(wú)需太多操作，只要正確連接EUT就可以了，最重要的任務(wù)是監控EUT的工作方式。

如何進(jìn)行近場(chǎng)測試

本文前面的介紹部分講過(guò)，近場(chǎng)測試非常適合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段。在這個(gè)階段，標準測試方法或許能給出精確的結果，但卻無(wú)法顯示問(wèn)題的來(lái)源所在。在挑選元件時(shí)，有些控制器芯片的輻射要比其他芯片低40dB，或具有更高的抗擾度。即使在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成，執行兼容測試未通過(guò)之后，標準測試方法也幾乎無(wú)法給出有關(guān)問(wèn)題來(lái)源的任何信息。在印制板一級，工程師們使用近場(chǎng)測試探針進(jìn)行測量，也可能使用缺陷檢測器等。然而另一方面也必須了解，近場(chǎng)測試探針(幾乎)不能給出有關(guān)設備傳導或輻射水平的任何信息，其誤差為20~40dB。但近場(chǎng)測試探針可以保證一點(diǎn)：每次使用時(shí)，其測量結果總要好于前述的各種測量。為了通過(guò)近場(chǎng)測試探針大致了解產(chǎn)品是否能通過(guò)EMC測試，需要在已經(jīng)確知結果的樣品上進(jìn)行多次嘗試。

圖4(a)和（b)是一些磁場(chǎng)探針、電場(chǎng)探針和一根管腳探針的例子。它們的優(yōu)點(diǎn)是容易制作，外購也相當便宜。它們都使用50Ω的電纜，并連接到一臺（廉價(jià)的)頻譜分析儀。

近場(chǎng)探針用來(lái)拾取電磁場(chǎng)的全部?jì)蓚€(gè)分量。雖然市場(chǎng)上有一些非常靈敏的電磁場(chǎng)場(chǎng)強儀，但電磁場(chǎng)的近場(chǎng)場(chǎng)強并不太容易測量。它們無(wú)法給出輻射噪聲頻率成分的任何信息，但可以方便地指出“問(wèn)題分量"。近場(chǎng)探針在連接到頻譜分析儀時(shí)，還可給出頻率成分信息。

磁場(chǎng)探針提供一個(gè)與磁射頻（RF)場(chǎng)強成比例的輸出電壓。利用這個(gè)探針很容易找到電路的射頻源。不過(guò)，磁場(chǎng)的場(chǎng)強隨距離迅速變化(成三次方關(guān)系)。另外，探針的方向至關(guān)重要，因為磁場(chǎng)方向一定是垂直于磁環(huán)路的。前面已經(jīng)指出，探針將不會(huì )給出太多的量化信息，但對于某個(gè)元件(IC、開(kāi)關(guān)三極管等)，隨著(zhù)探針距離元件越來(lái)越近，探針的電壓輸出也將增大。即使周?chē)性S多元件，通過(guò)研究原理圖，設計者也可以很容易地辨認出噪聲源。如果工程師決定更換元件，他將很容易測量出更換后的結果，這使得在開(kāi)始時(shí)就選擇可靠的元件成為可能。

管腳探針允許直接在IC管腳或PCB的細導線(xiàn)上鑒別噪聲電壓。還能方便地判斷濾波器的效果，盡管只是一種定性的判斷。探針可以在濾波器的前、后分別進(jìn)行接觸測量，并觀(guān)察其效果情況。但工程師必須正確估計接觸電容，并選擇電容較小的探針（不大于10pF)。

電場(chǎng)探針可拾取共模電壓和需要的信號。共模電壓是輻射電壓的一個(gè)重要來(lái)源。此外，磁場(chǎng)探針無(wú)法拾取電場(chǎng)?？梢宰C明，使用全部三種探針是有益和省時(shí)的。

本文介紹了擁有公司內部EMC測試設備的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?？傮w而言，除了設備成本、占用空間，以及可能的人員培訓這些投入之外，擁有EMC能力并沒(méi)有什么不利。無(wú)論如何，EMC技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中必)不)可)少，公司必須以某種方式進(jìn)行這方面的投資(如依靠第三方咨詢(xún)公司的服務(wù)），忽視它的代價(jià)將是高昂的。