EMI 测试基本知识介绍.doc

内部公开技 术 文 件 技术文件名称： EMI测试基本知识介绍 技术文件编号： 版 本：V1.0 文件质量等级：共 17 页(包括封面) 拟 制 审 核 会 签 标准化 批 准 深圳市中兴通讯股份有限公司修改记录文件编号版本号拟制人/修改人拟制/修改日期更改理由主要更改内容（写要点即可）宋昌元2006.4.5注：文件第一次拟制时，“更改理由”、“主要更改内容”栏写“无”。目 录1EMI干扰51.1EMI分类51.2差模和共模干扰62测量系统的架构72.1EMI测量系统72.2EMS测量系统73测试仪器73.1EMI测试接收机EMI Test Receiver73.2阻抗稳定网络ISN83.3耦合-去耦网络CDN（Couple and Decouple networks）103.4干扰分离器的方法原理114可靠性室EMI测试144.1相关测试设备介绍144.2传导骚扰测试框图164.3传导抗扰度试验175参考文献17摘 要：主要介绍EMI相关的基本概念、测试系统的组成、测试仪器的基本原理、可靠性室相关的测试仪器和测试方法。关键词：EMI Electromagnetic InterferenceISN Impedance Stabilization NetworkCDN Couple and Decouple networksAMN Artificial Mains NetworkDM Differential mode CM Common modeEMI测试基本知识介绍1 EMI干扰1.1 EMI分类根据传导模式的不同EMI主要分为：辐射性骚扰(Radiated Emission）和传导性骚扰（Conducted Emission）。辐射性EMI通过设备外壳的缝隙、开孔或其他缺口泄漏直接由空间传播，无须任何传输介质；主要为电路通电后，由于电磁感应效应所产生的电磁辐射发射所形成的电磁干扰，集中表现在频率的高端；一般用屏蔽（Shielding）、接地（Grounding）等方式解决。对辐射传导EMI解决方式归纳为以下几种：在干扰源加LC滤波回路；在I/O端加上去耦电容到地；用屏蔽隔离（Shielding）的方式把电磁波围覆在屏蔽罩内；尽量将PCB的地面积扩张；产品内部尽量少使用排线或实体线；产品内部的实体线尽量做成绞线以抑制杂讯幅射，同时在排线的I/O端加上去耦电容；在差模信号线的始端或末端加上共模滤波器（Common Mode Filter）；遵循一定的模拟和数字电路布线原则。传导性EMI（conducted）是指部分的电磁（射频）能量通过外部缆线（cable）、电源线、I/O互连介面，形成传导波（propagation wave）被传送出去，经过电源线传输干扰的，对共电源的设备产生干扰，导致设备功能异常，集中表现在频率的低端；对于传导性EMI的抑制，首先、需要对电子元件产生的传导性EMI作有效的测量，再依据结果选择适当的元件值设计滤波器来加以防治。根据EMI干扰的形成可以分为：差模DM（Differential mode）和共模CM（Common mode）。差模也称作对称模式（symmetric mode）或正常模式（normal mode）；而共模也称作不对称模式（asymmetric mode）或接地泄漏模式（ground leakage mode）。共模骚扰包括共地阻抗的共模干扰（Common-Mode Coupling）和电磁场对导线的共模干扰（Field to cable/trace Common-Mode Coupling），前者是因杂扰产生源与被干扰电路间共用同一接地电阻所产生的共模干扰，解决方法可由实行地的切割来避免共地干扰问题；后者则为高电磁能量所形成的电磁场对设备间之配线所造成的干扰，可由屏蔽隔离（Shielding）的方法来处理场对线的干扰问题。而差模干扰，常见的是导线对导线的差模干扰（Cable to Cable Differential-Mode Coupling），干扰途径为某一导线内的干扰信号感染到其他导线而馈入被干扰电路，属于近场干扰的一种，可通过加宽线与线之间的距离来处理此类干扰问题。1.2 差模和共模干扰图1差模和共模干扰如图1(a)所示，差模干扰是当两条电源供应线路的电流方向互为相反时发生；如图1(b)所示，共模干扰是当所有的电源供应线路的电流方向相同时发生。一般，差模信号通常是有用的，承载有用的数据信息；而共模信号是不要的干扰信号或是差模电路的产生的干扰，这正是EMC的最大难题。从图1中，可以清楚发现，共模干扰的发生大多数是因为杂散电容（stray capacitor）的不当接地所造成的。这也是为何共模也称作接地泄漏模式的原因。图2 差模和共模干扰电路如图2所示为常见的差模和共模干扰的等效电路，L是有作用（Live）或相位（Phase）的意思，N是中性（Neutral）的意思，E是安全接地或接地线（Earth wire）的意思；EUT是测试中的设备（Equipment Under Test）之意思。在E下方，有一个接地符号，它是采用国际电工委员会（International Electrotechnical Commission；IEC）所定义的有保护的接地（Protective Earth）之符号（在接地线的四周有一个圆形），而且有时会以PE来注明。DM干扰源是透过L和N对偶线，来推挽（push and pull）电流IDm。因为有DM干扰源的存在，所以没有电流通过接地线路。干扰的电流方向是根据交流电的周期而变化的。电源电路所提供的基本的交流工作电流，在本质上也是差模的。因为它流进L或N线路，并通过L或N线路离开。不过，在图2中的差模电流并没有包含这个电流。这是因为工作电流虽然是差模的，但它不是干扰信号。另外，对一个电流源（信号源）而言，若它的基本频率是电源频率（line frequency）的两倍：100或120Hz，实质上它仍是属于直流，而且不是干扰信号；即使它的谐波频率，超过了标准的传导式EMI之限制范围（150 kHz to 30 MHz）。然而，必须注意的是，工作电流仍然保留有直流偏压的能量，此偏压是提供给滤波抗流线圈（filter choke）使用，因此这会严重影响EMI滤波器的效能。这时，当使用外部的电流探针来量测数据时，很可能因此造成测量误差。2 测量系统的架构2.1 EMI测量系统如图3（a）所示，系统将干扰分离成共模干扰（Common mode noise）和差模干扰（Differential mode noise），两个干扰分量分别为共模干扰电流和差模干扰电流导致。在单相三线电力系统中，共模干扰电流CM是指：L（Line）、N（Neutral）两线对于接地线（Ground）的干扰电流分量；差模电流DM是指：直接流经 Line）和Neutral两线之间，而不流经地线的干扰电流分量。图中所示，干扰由电源传输阻抗稳定网络LISN（Line impedance stabilization network）或仿真的主要网路（Artificial Mains Network；AMN）取出以后，经过干扰分离器（Noise separator）可以得到想要的干扰信号值，再通过频谱分析仪（Spectrum analyzer）进行测量。如图3（b）所示为电信端口测试的原理结构，由于有用信号可能构成共模骚扰，所以主要测量从EUT电信端口发射出来的共模骚扰，被测试信号从ISN取出送到测试仪器测量。2.2 EMS测量系统如图4所示（a）、（b）分别为电源端口和电信端口传导性EMS测试原理框图。干扰信号由射频信号发生器在规定的覆盖频率点上，用1KHz正弦波调幅，80%的调制度产生。干扰信号通过CDN或干扰注入其的射频输入端注入。3 测试仪器3.1 EMI测试接收机EMI Test ReceiverEMI测试接收机是EMC试验中最常用的基本测试仪器，它实际上是含高频选频放大之超外差接收机，其灵敏度可通过输入回路之可调衰减器来调变，由于测试信号输入常常是极宽频谱的信号，运用可调谐高频选择器对输入信号进行预选，可以改善混频器之工作状况，中频放大器和中频选择器用来确定仪器之通行频带，并对信号进行功率放大。基于测试接收机的频率响应特性要求，按CISPR16规定，测试接收机应有四种基本检波方式准峰值检波、均方根值检波、峰值检波及平均值检波。而大多数电磁干扰都是脉冲干扰，其对音频影响的实际效果是随着重复频率之增高而增大，具有特定时间常数的准峰值检波器的输出特性可以近似反应这种影响。因此在无线广播频率领域，CISPR所推荐的电磁兼容性规范采用准峰值检波。由于准峰值检波既要利用干扰信号的幅度，又要反映它的时间分布，因此其充电时间常数比峰值检波器大，而放电时间常数比峰值检波器小，对不同频谱段应有不同的充放电时间常数，这两种检波方式主要用于脉冲干扰测试。瞬间变化及重复频率很低的脉冲干扰源已成为主流，使用准峰值检波器已不能客观评估此类干扰之特性，军规测试EMC对于单一脉冲或重复频率很低之脉冲进行检测，常用峰值检波，由于峰值检波是要测试出干扰信号振幅之最大值，故它只取决于信号的幅度而与时间无关，其充电放电时间常数比值 TC/TD 要足够小，通常TC/TD为几百分之一。平均值检波主要用来测试窄频之连续波、调谐波干扰，其充放电时间常数比值TC/TD为1。若是干扰经常由许多独立之脉冲源产生，而往往是随机的，则最好使用均方根检波器。选用检波器取决于被测受干扰源的性质以及所受保护的对象，对于同一干扰杂讯用不同检波器测得的值是不同，而各种检波器对脉冲干扰的相对响应也是不同。但将测试数据通过转换后，仍可得出一致之结果，有些接收机只有峰值或准峰值检波器，此时只需通过准峰值或峰值转换器转换，就能满足不同之测试要求。3.2 阻抗稳定网络ISN3.2.1 线路阻抗稳定网络LISN/人工电源网络要测量EMI，必须使用符合标准阻抗稳定网路ISN（Impedance Stabilization Network）。应用到电源路中的阻抗稳定网路，一般是线路阻抗稳定网路LISN（Line Impedance Stabilization Network）或人工电源网路AMN（Artificial Mains Network）。若产品要通过国际射频干扰特别委员会CISPR（International Special Committee on Radio Interference）所制定的CISPR 22限制（limits）规定，就必须采用符合CISPR 16规范所定义的LISN；CISPR 16是CISPR 22所参考的标准。使用LISN的目的是提供一个干净的交流电源，为接收机或频谱分析仪提供检测信号，提供一个稳定的均衡阻抗，保证测量工作可以重覆进行，对干扰源而言，LISN就是负载。LISN主要由标准的电容、电阻、电感组成。图5 LISN典型电路原理图6 LISN的输入阻抗特性典型LISN内部电路如图5所示，在电路中，L和C的取值：电感L小到不会降低交流的电源电流（50/60Hz）；在期望的频率范围内（150 kHz to 30 MHz），它大到可以被视为开路（open）。电容C小到可以阻隔交流的电源电压；在期望的频率范围内，它大到变成短路（short）。在图5中，主要的简化部分是缆线或接收机的输入阻抗已经被包含进去了。将一条典型的同轴缆线连接到一台测量仪器（分析仪或接收机或示波器等）时，对一个高频讯号而言，此缆线的输入阻抗是50欧姆（因为传输线效应）。所以，当接收机正在测量这个讯号时，假设在L和E之间，LISN使用一个继电/切换（relay/switch）电路，将实际的50欧姆电阻移往相反的配对线路上，也就是在N和E之间。如此就能使所有的线路在任何时候都能保持均衡，不管是测量VL或VN。选择50欧姆是为了要模拟高频讯号的输入阻抗，因为高频信号所使用的主要导线阻抗值近似于50欧姆。此外，它可以让一般的测量工作，在任何地点、任何时间重覆地进行。如图6所示，LISN的输入阻抗频率响应关系可知，在EMI规定频域内，从待测设备端看入，LISN可提供稳定的50输入阻抗作测量标准。3.2.2 阻抗稳定网络T-ISN阻抗稳定网络即T型网络，主要用于测量通信线或数据线上的传导骚扰电压，常见有：用于非屏蔽单一平衡对线的ISN、用于两组非屏蔽单一平衡对线且有高纵向转换损耗的ISN、用于两组非屏蔽单一平衡对线的ISN（两种）。阻抗稳定网络要求符合CISPR22和GB9254标准，一般常见阻抗稳定网络的电路原理如图7、8所示。因为一般的信号线路（data line）之输入阻抗值近似于150欧姆，所以T-ISN使用150。其主要参数有：频率范围：9KHz-30MHz，插入损耗：2dB，阻抗：15020%；其典型频率特性如图9、10所示。图7 用于非屏蔽单一平衡对线的ISN图8 用于两组非屏蔽单一平衡对线的ISN图9 AE端口的频率特性图10 EUT端口的频率特性3.3 耦合-去耦网络CDN（Couple and Decouple networks）在设备的抗扰度测试中，为保证骚扰信号耦合到EUT的各电缆上，耦合/去耦网络要求提供：对EUT耦合骚扰信号；对有用信号提供通路；在辅助设备方对骚扰信号提供退耦，防止骚扰辅助设备；在EUT看进去的稳定阻抗与AE的共模阻抗无关。在150KHz-80MHz的频率范围内，从EUT端口看入CDN的共模阻抗参数应符合：0.15-26MHz，15020；26-80MHz，150（60/45）。CDN一般符合IEC61000-4-6和GB/T17626.6标准的要求。CDN耦合/去耦基本原理如图11、12所示。图11 非屏蔽（电源）电缆耦合原理图图12 去耦原理图耦合-去耦合网络常见有电源线用CDN和信号线用CDN两种。电源线用CDN按线数分为：1线（CDN-M1）、2线（CDN-M2）、3线（CDN-M3）、4线（CDN-M4）、5线（CDN-M5）。交/直流电源端口的耦合/去耦网络提供在不对称条件下把试验电压施加到受试设备的电源端口的能力。所谓不对称干扰是指电源线与大地之间的干扰。可以看到从试验发生器来的信号电缆芯线通过可供选择的耦合电容加到相应的电源线（L1、L2、L3、N及PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。耦合/去耦网络的作用是将干扰信号耦合到EUT，并阻止干扰信号干扰连接在同一电网中的不相干设备，常见电路如图13所示。信号线用CDN按适用河测试的场合不同有多种，可分为平衡线、非平衡线、多条屏蔽线（15条），不同阻抗的同轴电缆等多种形式。对平衡线的非屏蔽电缆可用：2线（CDN-T2）、4线（CDN-T4）、8线（CDN-T8）；对不平衡线的非屏蔽电缆可用：CDN-AF2常见电路如图14所示（注：对于平衡多对电缆和非屏蔽多芯电缆，采用钳注入法更适合）。图13 非屏蔽电源线CDN图14 非屏蔽平衡线CDN3.4 干扰分离器的方法原理由传输阻抗网络（LISN）的L1、L2侧取出的信号中，包含CM和DM干扰分量，并且这两种分量成分是以向量和、向量差的关系结合，CM和DM干扰产生于不同的干扰源，在电源设计上，必须分别加以处理。因此，如能将CM和DM干扰分离开，有助于了解待测设备的干扰结构，进而辨别出何种干扰成分最具支配性（Dominated），然后分别加以对症下药，方能达到事半功倍之效果。然而，传导性EMI测量的频谱分析仪缺乏信号相角的识别，因此，只是从测量的结果中无法用数学方法的方式计算出CM和DM干扰的大小，必须借助其他辅助工具。本节介绍目前使用的干扰分离技术。3.4.1 电流探棒（Current Probe）最早使用的分离方法，由于电流探棒对频率的改变极为敏感，一般都会造成信号大小和相位的失真，传统上一般使用电流棒搭配示波器来观察测试电流波形，除非在无反射室（semi-anechoic chamber）中测量，否则频谱分析仪上出现的背景干扰（noise floor）将非常高。电流探棒的工作原理为安培定律（Amperes law ）：其中：C为围绕开放空间曲面S的周长（Contour）。如图15所示，根据安培定律，一个沿着导线的磁场能够感应出贯穿（Penetrate）空间曲面的传导电流（Conduction current）和位移电流（Displacement current）。一时变的电场将产生一个位移电流，如没有时变得电场贯穿这个曲面，则感应的磁场仅于流经该曲面的电流有关，电流探棒就是利用这一原理来测量电流的。如图16所示，电流探棒的结构由一个被分隔成两半的环形陶铁磁体（toroid ferrite）铁芯构成，将铁芯环绕上待测之导线，则流经该导线上的电流将被测量。流经这回路的电流将产生一磁场，该磁场将被集中且环绕于铁芯上。数圈导线被缠绕于铁芯上，环绕于铁芯的时变磁场根据法拉第定律将感应出以正比于磁场强度的磁动势（emf）。导线回路感应的电压可以被测量，且正比于流经该铁芯的电流。3.4.2 共模/差模识别网络（CM/DM Discrimination Network）主要利用两组匝数比为：1：1的射频隔离变压器来达到分离信号的目的。共模/差模识别网络内部结构如图17所示。电源线L（Phase/live）和N（Neutral）的干扰电压分别为：所以，将LISN的L1侧（Vn）和L2（Vp）侧的端电压分别接至两组变压器的一次侧，两组变压器的二次侧被连接成串联形式，并且由切换开关改变Vn电压的极性，将Line和Neutral两线的干扰电压相加、相减。当两组变压器绕组的极性相同时，在输出端可得到两倍的共模干扰电压；若两组变压器绕组的极性相反时，则在输出端可得到两倍的差模干扰电压。3.4.3 差模拒斥网络DNRN（Differential Mode Rejection Network）差模拒斥网络由美国EMC Service Corp所发展出来的，它能有效地消除传导性EMI的差模部分（至少衰减50dB），并可直接测量传导EMI的共模部分。主要利用电路的对称性关系来滤除差模干扰，其内部电路结构如图18所示，由五个精密的电阻组成。对于差模干扰而言，DMRN等效电路如图19所示，两个50的电阻在节点A被连接到地，节点B是浮接的，由于网络的平衡性，所以节点A与节点B等电位，节点B为地电位，输出为地电位或零伏。对于共模干扰而言，DMRN等效电路如图20所示，由叠加定理可知：在DNRN的输出端，可以得到一倍的共模干扰。考虑到DMRN阻抗匹配方面的问题，有两个输入端说看入的阻抗为50，在输出端看进去阻抗为：（50+16.7）/（50+16.7）+16.750，所以输入输出端都能得到阻抗匹配的目的。3.4.4 主动型干扰分离器OP Amp（Operational Amplifier）主动型干扰分离器是来执行向量干扰的相加减，最自觉的方法。而一般的OP Amp单位增益频带仅为1-2MHZ，无法涵盖整个EMI规范的测试频带，因此很少被使用来分离干扰电流。PMI（Precision Monolithhics Inc.）公司所推出的高频、低干扰运算放大器OP260EZ可以用来分离干扰，其单位增益带宽高达90MHZ。电路连接方式如图21、22所示，为避免待测设备的干扰电流过大，损坏干扰分离器及频谱分析仪，可以加上信号衰减电路予以保证，并使各端点所看入的输入阻抗为50。3.4.5 功率结合器(Power Combiner)功率结合器或称为功率分离器（Power Splitter）为一种应用于微波通信上的元件，由美国维吉尼亚电力电子中心（VPEC）所发展的。由于是利用一种在通讯领域上的0度与180度的功率结合器所作成，其频带够宽，误差小，本身不易受到杂扰信号干扰，因此可以有效地将共模信号和差模信号分离。以0度功率结合器为例，若两输入端的功率及电压分别为：P1、P2、V1、V2，其输出功率可以表示为：其中，为V1和V2的夹角 。当=0，且P1=P2=Pin时，有：Po=2Pin，输出电压:。当=180，且P1=P2=Pin时，有：Po=0，输出电压：Vo=0。所以将0度功率结合器应用于杂扰分离上，可以分离出共模干扰CM，其连接方式如图23所示。同理，180度功率结合器，其输出功率可以表示为：当=180，且P1=P2=Pin时，有：Po=2Pin，输出电压:。当=10，且P1=P2=Pin时，有：Po=0，输出电压：Vo=0。所以将180功率结合器应用于杂扰分离上，可以分离出差模干扰DM，其连接方式如图24所示。4 可靠性室EMI测试4.1 相关测试设备介绍4.1.1 测量接收机EMI Test ReceiverSCHWARZBECK FCKL1528电磁干扰测量接收机符合CISPR16-1和GB/T6113标准要求，专门用于电磁骚扰测量。测量的频率范围涵盖9kHz3250MHz。同时SCHWARZBECK接收机还提供内置跟踪信号源。适用于电磁骚扰测量中的传导骚扰、辐射骚扰、辐射磁场骚扰、插入损耗的测量。SCHWARZBECK提供专用的测试软件，软件基于WINDOWS操作系统，能对接收机及附件进行控制，实现对测试数据自动处理和贮存。内置校准信号源（效准和插入损耗），内置10dB功率衰减器，可控制人工电源网络等外设。带有平均值和准峰值检波器，测量时交替使用两种检波器检波测试。主要参数：型号FCKL1528频率范围9kHz30MHz分辨率带宽200Hz/9kHz检波方式QP、PK、AV测量精度 1dB频率漂移 310-645Hz解调方式A0、AM测量范围-25141dBV工作电压110、130、220、24010%尺寸447 180 460mm重量17kg接口IEEE488选件：1跟踪信号发生器2测试软件3INESPCI4884INESPCMCIA4889kHz30MHz 120dBV IEEE488 16位PCI卡 IEEE488 16位PCMCIA卡（笔记本电脑适用）4.1.2 阻抗稳定网络NNBL8226-2单路线路阻抗稳定网络主要用于测量直流电源供电设备及汽车电子产品的传导骚扰。也适用于军标的测量。网络完全符合CISPR16-1和GB/T6113标准的要求。主要参数：频率：(0.009)0.1530(100)MHz，额定电流：70A，电压：500Vdc/250Vac（50/60Hz）,阻抗：50uH5/50（20%），直流电阻：10m。阻抗稳定网络一般包括：线路阻抗稳定网络/人工电源网络LISN（Line Impendence Stabilization Networks），单路线路阻抗稳定网络（Single Path Line