組建一個電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的方法

產(chǎn)品必須符合EMC(電磁兼容)要求，歐洲規(guī)定：銷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，商家越來越重視產(chǎn)品的電磁兼容性問題，為了降低成本，要根據(jù)公司需求和規(guī)模的不同，組建一個EMC實(shí)驗(yàn)室，本文介紹建設(shè)公司內(nèi)部EMC測試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和方法。

組建一個電磁兼容實(shí)驗(yàn)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(jié)省經(jīng)費(fèi)(在設(shè)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，世界上不會有“低成本、低風(fēng)險和低EMC技術(shù)”這樣的好事。工程師必須掌握高度的技巧，才可能設(shè)計(jì)出具有相當(dāng)性能的低成本設(shè)備。精度越低的產(chǎn)品，其風(fēng)險也會越高。

在組建一個公司內(nèi)部EMC實(shí)驗(yàn)室時，無論其規(guī)模大小如何，都必須遵從一些最起碼的指導(dǎo)原則。首先，建成EMC實(shí)驗(yàn)室的房間或地方必須潔凈，沒有無關(guān)物品，完全專用于EMC測量。只要條件許可，絕對需要一個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(yīng)該接保護(hù)地系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的所有金屬物體必須可靠接地或予以清除。電源系統(tǒng)必須“凈化”(在電源進(jìn)入EMC實(shí)驗(yàn)室之前的某處正確接入線濾波器)。

EMC測試設(shè)備的配置

1) 傳導(dǎo)發(fā)射測試---需要一臺頻譜分析儀(或EMI接收器)、電纜和LISN(線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，手工制作或外購)，如果可能的話，還應(yīng)該有一個屏蔽房間(最起碼有一個屏蔽帳篷)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、電纜和OATS(開放區(qū)域測試場地或(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，則需要專用設(shè)備(專用諧波分析儀)；但如果僅為評估的話，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(xiàng)測試的結(jié)果。

5) 輻射電磁場抗擾度測試---需要與輻射發(fā)射測試類似的設(shè)備，此外還需要信號發(fā)生器、放大器、衰減器、場強(qiáng)儀，可能還需要一臺計(jì)算機(jī)。

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

7) 電快速瞬變(EFT/Burst)抗擾度測試。

8) 浪涌抗擾度測試。

9) 電源頻率磁場抗擾度測試。

10) 電壓驟降、短時中斷與電壓變化抗擾度測試。

從7) 到10)的最后四項(xiàng)測試需要專用設(shè)備，這些設(shè)備可從多個廠商買到。

值得注意的是，測量設(shè)備的制造商和經(jīng)銷商通常提供執(zhí)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行這些測試的指導(dǎo)甚至培訓(xùn)。請向最近的當(dāng)?shù)劁N售代表查詢設(shè)備的性能和功用。大部分情況下，設(shè)備都有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需求預(yù)設(shè)的測試程序，請首先閱讀說明手冊。

公司內(nèi)部預(yù)兼容測試

預(yù)兼容測試并無定義，但最起碼我們有理由假定測試必須在盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下進(jìn)行。

1) 傳導(dǎo)發(fā)射的測試

多年來，電子產(chǎn)品制造商遇到的最困難的問題可能就是在傳導(dǎo)發(fā)射方面，因此本文首先就此進(jìn)行討論。傳導(dǎo)發(fā)射的測試裝置如圖1所示。

這個裝置是根據(jù)CISPR 22 (EN 55022)組建的，而且使用的設(shè)備必須符合CISPR 16-1的要求。該裝置主要包括：EUT(被測設(shè)備)，如果它是臺式的，必須安放在一個距地面80cm高的絕緣桌上；輔助設(shè)備(外設(shè))，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0.15~30 MHz的頻率范圍內(nèi)必須具有9kHz的分辨率帶寬(RBW)。測量過程在CISPR 16-1和產(chǎn)品規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)描述，如果正確執(zhí)行，其結(jié)果與第三方實(shí)驗(yàn)室的測試將不會有太大出入。

2) 干擾功率測試

干擾功率測試(30~300 MHz)方法與1)有點(diǎn)類似，但此時信號將來自吸收鉗(而非LISN)。CISPR 16-1和產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了測試裝置。概括地說，就是將吸收鉗放置在被測電纜(干線、直流、音頻/視頻)周圍，并沿著一根6m長線移動，以查找每個頻率點(diǎn)上的最大發(fā)射值。

輻射發(fā)射測試裝置如圖2所示。

雖然這項(xiàng)測試看起來似乎要比前一項(xiàng)測試復(fù)雜一些，但實(shí)際上并不特別困難。由圖可見，EUT被安放在一張絕緣桌面的轉(zhuǎn)臺上，距地面80cm，以便在測試過程中通過轉(zhuǎn)動EUT來找出最大發(fā)射值。天線安裝在天線竿上，并可在1～4m之間移動，目的同樣是為了找出最大發(fā)射值。EUT與天線中心(上有標(biāo)記)的距離為3m或10m。接收器裝置同樣按照CISPR 16-1制作，在30~1000 MHz的接收范圍內(nèi)其分辨率帶寬必須為120kHz。針對輻射發(fā)射測量，接收器可能有一個設(shè)定。

對于上述的所有測量，需要注意在評估結(jié)果時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(qū)間，這一點(diǎn)在CISPR 16-1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(dǎo)發(fā)射，必須考慮LISN的阻抗偏差及其容限。不過，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NSA(歸一化位置衰減)為-24～24dB。在這種情況下，無法進(jìn)行任何近似，而且在執(zhí)行測試時還必須使用天線因子。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在將產(chǎn)品送往第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試之前，還應(yīng)當(dāng)額外預(yù)留6dB的設(shè)計(jì)余量。

3) 諧波和閃爍測試

諧波和閃爍測試沒有環(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(jù)廠商的說明和標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行測試即可。同樣，測試設(shè)備將包含一些已有的設(shè)置，但工程師必須確保這些測試設(shè)置符合自己產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。如果評估時使用其他方法(如便攜式電源諧波分析儀)，請仔細(xì)閱讀標(biāo)準(zhǔn)要求，然后再評估測量結(jié)果。

4) ESD抗擾度測試

ESD抗擾度測試對于大型設(shè)備可能并不是很重要。但在今天這個各種產(chǎn)品普遍小型化的時代，ESD測試已成為大部分設(shè)備的“關(guān)鍵”EMC測試之一，例如對便攜式計(jì)算器、MP3和MD播放器、USB存儲棒、音頻設(shè)備等等。其測試裝置如圖3所示。

由圖可見，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(dǎo)材料制成)上，并通過一個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，每個連接端各使用一只470 kΩ的電阻。對于EUT的每個側(cè)面和VCP、HCP，以及EUT上每個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)，通常每個極性 5次。對于機(jī)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) 輻射電磁場抗擾度的測試

輻射電磁場抗擾度的測試裝置與輻射發(fā)射測試非常類似，但是在這項(xiàng)測試中，信號發(fā)生器和功率放大器將饋送給天線，以便在EUT附近產(chǎn)生“均勻電磁場”(±6dB)(在頻率范圍80~1000 MHz、AM、1kHz、80％調(diào)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(dǎo)騷擾抗擾度測試

傳導(dǎo)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，150 kHz~230 MHz、AM、1kHz、80%調(diào)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。由于測試項(xiàng)目3)、7)、 8)、9)、10)使用的是高度專業(yè)化的設(shè)備，如果實(shí)驗(yàn)室中有這些設(shè)備，工程師無需太多操作，只要正確連接EUT就可以了，最重要的任務(wù)是監(jiān)控EUT的工作方式。

如何進(jìn)行近場測試

本文前面的介紹部分講過，近場測試非常適合產(chǎn)品開發(fā)階段。在這個階段，標(biāo)準(zhǔn)測試方法或許能給出精確的結(jié)果，但卻無法顯示問題的來源所在。在挑選元件時，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)品開發(fā)完成，執(zhí)行兼容測試未通過之后，標(biāo)準(zhǔn)測試方法也幾乎無法給出有關(guān)問題來源的任何信息。在印制板一級，工程師們使用近場測試探針進(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，近場測試探針(幾乎)不能給出有關(guān)設(shè)備傳導(dǎo)或輻射水平的任何信息，其誤差為20～40dB。但近場測試探針可以保證一點(diǎn)：每次使用時，其測量結(jié)果總要好于前述的各種測量。為了通過近場測試探針大致了解產(chǎn)品是否能通過EMC測試，需要在已經(jīng)確知結(jié)果的樣品上進(jìn)行多次嘗試。

圖4(a)和(b)是一些磁場探針、電場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(dāng)便宜。它們都使用50Ω的電纜，并連接到一臺(廉價的)頻譜分析儀。

近場探針用來拾取電磁場的全部兩個分量。雖然市場上有一些非常靈敏的電磁場場強(qiáng)儀，但電磁場的近場場強(qiáng)并不太容易測量。它們無法給出輻射噪聲頻率成分的任何信息，但可以方便地指出“問題分量”。近場探針在連接到頻譜分析儀時，還可給出頻率成分信息。

磁場探針提供一個與磁射頻(RF)場強(qiáng)成比例的輸出電壓。利用這個探針很容易找到電路的射頻源。不過，磁場的場強(qiáng)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?yàn)榇艌龇较蛞欢ㄊ谴怪庇诖怒h(huán)路的。前面已經(jīng)指出，探針將不會給出太多的量化信息，但對于某個元件 (IC、開關(guān)三極管等)，隨著探針距離元件越來越近，探針的電壓輸出也將增大。即使周圍有許多元件，通過研究原理圖，設(shè)計(jì)者也可以很容易地辨認(rèn)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(jié)果，這使得在開始時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(xì)導(dǎo)線上鑒別噪聲電壓。還能方便地判斷濾波器的效果，盡管只是一種定性的判斷。管腳探針可以在濾波器的前、后分別進(jìn)行接觸測量，并觀察其效果情況。但工程師必須正確估計(jì)接觸電容，并選擇電容較小的探針(不大于10pF)。

電場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重要來源。此外，磁場探針無法拾取電場?？梢宰C明，使用全部三種探針是有益和省時的。

本文小結(jié)

本文介紹了擁有公司內(nèi)部EMC測試設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。總體而言，除了設(shè)備成本、占用空間，以及可能的人員培訓(xùn)這些投入之外，擁有EMC能力并沒有什么不利。無論如何，EMC技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中必不可少，公司必須以某種方式進(jìn)行這方面的投資(如依靠第三方咨詢公司的服務(wù))，忽視它的代價將是高昂的。

參考文獻(xiàn)：

1. CISPR 16-1 and CISPR 16-2 Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods.

2. EN 55022 Information Technology Equipment - Radio Disturbance characteristics - Limits and Methods of Measurement.

3. EMC Testing Part 1 to Part 6 by Eur Ing Keith Armstrong and Tim Williams.

4. HAMEG GmbH web site, www.hameg.de