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深入浅出:全新全面认识 EMC

我爱方案网| EMC,电磁兼容| 2012-02-14
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中心议题:
    *  EMC的全面认识

EMC(Electromagnetic Compatibility)是电磁兼容,它包括EMI(电磁骚扰)和EMS(电磁抗骚扰)。EMC定义为:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。EMC整的称呼为电磁兼容。EMP是指电磁脉冲。
 
EMC = EMI + EMS   EMI : 電磁干擾        EMS : 電磁相容性 (免疫力)

EMI可分为传导Conduction及辐射Radiation两部分,Conduction规范一般可分为: FCC Part 15J Class B;CISPR 22(EN55022, EN61000-3-2, EN61000-3-3) Class B;国标IT类(GB9254,GB17625)和AV类(GB13837,GB17625)。FCC测试频率在450K-30MHz,CISPR 22测试频率在150K--30MHz,Conduction可以用频谱分析仪测试,Radiation则必须到专门的实验室测试。

EN55022为Radiation Test & Conduction Test (传导 & 辐射测试); EN61000-3-2为Harmonic Test (电源谐波测试) ;EN61000-3-3为Flicker Test (电压变动测试)。

CISPR22(Comite Special des Purturbations Radioelectrique)应用于信息技术类装置, 适用于欧洲和亚洲地区;EN55022为欧洲标准,FCC Part 15 (Federal Communications Commission) 适用于美国,EN30220欧洲EMI测试标准,功率辐射测试标准是EN55013频率在30MHZ-300MHz。

EN55011辐射测试标准是:

有的频率段要求较高,有的频率段要求较低。传导 (150KHZ-30MHZ) LISN主要是差模电流, 其共模阻抗为100欧姆(50 + 50); LISN主要是共模电流, 其总的电路阻抗为25欧姆(50 // 50)。

4线       AV        60dB/uV         150KHZ-2MHZ         start  9KHZ
5线             PEAK               100dB/uV            150KHZ-3MHZ
6线             PEAK               100dB/uV            2MHZ-30MHZ
7线             QP                 70dB/uV             150KHZ-500KHZ
Radiated (30MHZ-1GHZ): ADD 4N7/250V Y CAP          90dB/uV       30MHZ-300MHZ

EMI为电磁干扰,EMI是EMC其中的一部分,EMI(Electronic Magnetic Interference) 电磁干扰, EMI包括传导、辐射、电流谐波、电压闪烁等等。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的,通常称作干扰的三要素。 EMI线性正比于电流,电流回路面积以及频率的平方即:EMI = K*I*S*F2。I是电流,S是回路面积,F是频率,K是与电路板材料和其他因素有关的一个常数。

EMI是指产品的对外电磁干扰。一般情况下分为 Class A & Class B 两个等级。 Class A为工业等级,Class B 为民用等级 。民用的要比工业的严格,因为工业用的允许辐射稍微大一点。同样产品在测试EMI中的辐射测试来讲,在30-230MHz下,B类要求产品的辐射限值不能超过40dBm 而A类要求不能超过50dBm(以三米法电波暗室测量为例)相对要宽松的多,一般来说CLASS A是指在EMI测试条件下,无需操作人员介入,设备能按预期持续正常工作,不允许出现低于规定的性能等级的性能降低或功能损失。

EMI是设备正常工作时测它的辐射和传导。在测试的时候,EMI的辐射和传导在接收机上有两个上限,分别代表Class A和Class B,如果观察的波形超过B的线但是低于A的线,那么产品就是A类的。EMS是用测试设备对产品干扰,观察产品在干扰下能否正常工作,如果正常工作或不出现超过标准规定的性能下降,为A级。能自动重启且重启后不出现超过标准规定的性能下降,为B级。不能自动重启需人为重启为C级,挂掉为D级。国标有D级的规定,EN只有A,B,C。EMI在工作頻率的奇数倍是最不好过的。
 
EMS(Electmmagnetic Suseeptibilkr) 电磁敏感度一般俗称为 “电磁免疫力”, 是设备抗外界骚扰干扰之能力,EMI是设备对外的骚扰。

EMS中的等级是指:


Class A,测试完成后设备仍在正常工作;Class B,测试完成或测试中需要重启后可以正常工作;Class C,需要人为调整后可以正常重启并正常工作;Class D,设备已损坏,无论怎样调整也无法启动。严格程度EMI是B>A,EMS是A>B>C>D。

电磁兼容三要素:

任何电磁兼容性问题都包含三个要素,即干扰源、敏感源和耦合路径,这三个要素中缺少一个,电磁兼容问题就不会存在。

 


产生电磁干扰的条件:

突然变化的电压或电流,即dV/dt或dI/dt很大;辐射天线或传导导体。

电磁兼容标准对设备的要求有两个方面:一个是工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响,另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感。前一个方面的要求称为干扰发射要求,后一个方面的要求称为敏感度要求。

电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两个,一个是以电磁波的形式从空间传播,另一个是以电流的形式沿导线传播。因此,电磁干扰发射可以分为:传导发射和辐射发射;敏感度也可以分为传导敏感度和辐射敏感度。

电磁兼容标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准。

基础标准:

描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备,定义了等级和性能判据。基础标准不涉及具体产品。

产品类标准:

针对某种产品系列的EMC测试标准。往往引用基础标准,但根据产品的特殊性提出更详细的规定。

通用标准:

按照设备使用环境划分的,当产品没有特定的产品类标准可以遵循时,使用通用标准来进行EMC测试。对使设备的功能完全正常,也要满足这些标准的要求。

关于制订电磁兼容标准的组织和标准的介绍:

IEC(国际电工委员会):有两个平行的组织制订EMC标准,CISPR和TC77。

CISPR(国际无线电干扰特别委员会):1934年成立。目前有七个分会:A分会(无线电干扰测量方法与统计方法)、B分会(工、科、医疗射频设备的无线电干扰)、C分会(电力线、高压设备和电牵引系统的无线电干扰)、D分会(机动车和内燃机的无线电干扰)、E分会(无线接收设备干扰特性)、F分会(家电、电动工具、照明设备及类似电器的无线电干扰)、G分会(信息设备的无线电干扰)。

TC77(第77技术委员会):1981年成立。目前有3个分会:SC77A(低频现象)、 SC77B(高频现象)、 SC77C(对高空核电磁脉冲的抗扰性)。

CENELEC(欧洲电工标准化委员会):由欧共体委员会授权制订欧洲标准。EN标准中引用了很多CISPR和IEC标准,其对应关系如下:

EN55××× = CISPR标准, (例: EN55011 = CISPR Pub.11)

EN6×××× = IEC标准,   (例: EN61000-4-3 = IEC61000-4-3 Pub.11)

EN50××× = CENELEC自定标准, (例: EN50801 )

FCC(联邦通信委员会)全名为Federal Communications Commission:是管理电脑, 周边及通信产品等销售美国之审核授权机抅, 主要制订民用产品标准,关于电磁兼容的标准主要包括在FCC Part15和FCC Part 18中。
 
 


FCC Part 15 subpart B規定: 凡利用数位技術之电子裝置或系統, 及使用或产生脉波频率超过10KHz之器材,皆須依规定进行测试认证后, 才可以在美国市场销售。

MIL-STD(美军标):典型的是MIL-STD –461D。这个标准不仅规定了最大辐射发射和传导发射的限制,还规定了系统对辐射和传导干扰的敏感度要求。配套标准MIL-STD-462规定了必要的测试装置。商业公司经常将MIL-STD-461中的某些部分作为产品内部EMC规范。

VCCI(干扰自愿控制委员会):民间机构,其标准与CISPR和IEC一致。

GB(中国国家标准):基本采用CISPR和IEC标准,目前已发布57个。

GJB(中国军用标准):基本采用美军标,例如GJB151A = MIL-STD –461D。

军用设备

为军用设计的电子系统必须满足MIL-STD-461D的要求,  另一个关于EMI的军用标准是保密的TEMPEST计划,这是用来保证保密通信系统安全的。现在可以接收并复现出大多数电子设备政党工作时所发射的功率很低的射频信号。象对电子窃听很脆弱的CRT终端那样的军用产品就属于TEMPEST的范畴。在实践中,TEMPEST控制设备和系统的发射,使无法解译携带信息的信号。

由于关于EMC的法规和标准十分复杂,关于信息技术设备的相关标准总结在表1.9中。一些标准的频率范围在图1-3中标明。

CE标示: 源自欧共体各会员国(European Community)缩写的总称, 並以此为标志。规范产品是否符合欧体为保障民众安全健康以及环境保护等利益所订定之基本安全要求。

CE = EMC + LVD           EMC : 電磁干扰及电磁相容性         LVD : 低电压指令

测量场地:

GB要求在开阔场地中测量,GJB要求在屏蔽半无反射室中测量,由于电磁环境日趋恶化,开阔场中的背景干扰往往严重影响测量,因此,GB测量也开始在屏蔽半无反射室中做,但要求半无反射室中的电磁场分布与开阔场近似。

天线到EUT(受试设备)的距离:GB要求为3米、10米或30米,GJB要求为1米;

测量内容:

GB仅测量电场辐射发射,GJB对电场辐射和磁场辐射都要测量;

测量频率范围:

GB规定的测量范围为30MHz ~ 1GHz,随着时钟频率的升高,有扩展到18GHz的趋势,GJB规定的测量频率范围为10kHz ~ 18GHz。

EUT的布置:

GB和GJB都要求EUT按照实际工作状态布置(互联电缆和所连接的外部设备全部按实际状态连接),GB要求EUT放置在木制测试台上,GJB要求EUT放置在金属板上。距离地面的距离为0.8米;

检波方式:

干扰测量仪的读数与检波方式有关,因此标准中都明确规定检波方式,GB要求准峰值检波,GJB要求峰值检波;

最大辐射点:

与处理电磁兼容问题的原则相同,仅关心最坏情况。因此,以EUT的最大辐射值为测量结果。最大辐射值的含义有4个,第一:EUT的工作状态处于最大辐射状态,第二:EUT最大辐射面对着天线,第三:天线的极化方向为接收最大场强的方向,第四:天线的高度为接收最大场强的位置。GJB中,没有第四点的要求,即,天线的高度是固定的。

测量设备:

骚扰测量设备:


用来定量计量骚扰强度的设备,可以是EMI测量接收机,也可以是频谱分析仪,频率范围要覆盖150KHz~30MHz,具有峰值、准峰值和平均值检波功能。
 
 


线路阻抗稳定网络(LISN):

由于电源端子传导发射的强度与电网的阻抗有关,因此为了使测量具有唯一性,必须在特定的阻抗条件下测量,LISN就提供了这样一个环境,GB9254标准中使用的LISN为50Ω/50μH。

接地平板:

受试设备要放置在接地金属板上进行试验,该金属板比被测设备边框大0.5米,最小尺寸为2m×2m。

电快速脉冲试验模拟电网中的感性负载断开时产生的干扰。这种干扰不仅会出现在电源线上,而且会耦合到信号线上。因此,这个试验要对电源线和信号线做。设备能够通过浪涌试验,并不意味着也能通过电快速脉冲试验。一方面是因为后者的频率成份远高于前者,具备不同的干扰机理,令一方面是因为电快速脉冲试验中施加的干扰是重复性,这对电路具有一种积分效应,是电路中的积分型抗干扰电路实效。

频谱分析仪能够快速地在较宽的频率范围内扫描,因此是诊断电磁干扰发射的方便工具。使用频谱分析仪时需要注意的问题:频谱分析仪不能观测瞬间干扰,如静电放电、雷电等;频谱分析仪的扫描时间不能设置得太短,即不能使扫描速度太快;从频谱分析仪屏幕上读取频率与幅度数据时,其精度与频谱仪的扫描范围有关,范围越窄,精度越高;当输入信号过大时,频谱分析仪会发生过载,使读取的幅度数据比实际的小,用输入衰减器可以避免过载;减小频谱仪的中频带宽可以提高仪器的灵敏度(和选择性),但扫描时间会更长;宽带信号的幅度会随着中频分辨带宽的增加而增加。

电磁干扰(EMI)接收机是另一种测量电磁干扰的设备,许多人在选购仪器时搞不懂接收机与频谱仪之间的区别,下面做一简单比较:

所有的接收机都标准配置预选器(频谱仪需要选配),能够有效地抑制带外噪声;所有的接收机用基频混频方式(频谱仪使用基频和谐频混频),具有较高的灵敏度;接收机的中频滤波器为矩形(频谱仪的中频滤波器为高斯形),具有更好的选择性;接收机适合于正式测量,不适合于诊断。

EMC试验室有华测(CTI)、SGS、信测、信华、华通威、冠准、莫特、广州ETL、广州五所、东莞经续、东莞沃特、厚街北南、长安世鸿、长安硕信(ATT)、大朗信宝、塘夏欧标、摩尔实验室、经续检验技术有限公司等。像美国的FCC只测EMI中的辐射和传导,不测EMS。有些国家EMI和EMS是分开测的,有些国家是一起像CCC认证CE认证。现在很多电器类产品做CE还要加测电磁波骚扰EMF,标准是EN-50336。电源EMI技术就算能达到标准,有的产品要求要达一定的湿度测试。在深圳湿试控制都比较难做。深圳几家大实验室,都比较难,空间问题。EMI不只包括传导,辐射,电流谐波与电压闪烁也是EMI的部分。谐波和闪烁是设备对外的,而不是外界对设备的,所以是EMI,不是EMS。

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