电磁兼容设计与测试(共四章 98页)

电磁兼容测试与设计 目录 1 概述 2 陆军八项测试要求 3 测试与设计 4 空调案例分析 一 概述 定义 设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态 含义 EMS ElectromagneticSusceptbility EMI ElectromagneticInterference EMC ElectromagneticCompatibility EMC EMS EMI EMC的定义与含义 其研究领域包括 电磁兼容测量的基本特点 电磁兼容测量是一项综合活动 包含以下几方面的内容 试验 Experiment 是指根据一定的目的 运用必要的手段 在人为控制条件下观察事物本质和规律的一种实践活动 测试 Test 则更多关心的是某一参数的变化或响应 测量 Measurement 是用一定的仪器或工具测定某一参数或指标 陆军装备电磁兼容技术特点 干扰源 受感器 耦合通道 EMC三要素 抑制措施 传导性耦合 辐射性耦合 EMC评定指标 CS CE RS RE EMC三要素及抑制方法 如何掌握电磁兼容技术 运用这些知识可以解决电磁兼容问题 干扰源 在电磁兼容分析中 需要考虑的5个主要方面是 频率 问题出现在频谱的哪一部分 时间 问题是否连续 周期信号 或问题仅在某些操作循环内出现 例如磁盘驱动装置写入操作 振幅 干扰源能级有多强 什么情况会引起严重干扰 阻抗 什么是干扰源和接收器电路的阻抗 什么是两者之间传输机构的阻抗 尺寸 发射装置的物理尺寸是多少 射频电流将产生电磁场 该电磁场将会通过设备壳体上长度等于波长或 上升时间距离 有效部分的渗漏处 接缝或开口 漏泄出去 印制电路板的印制线长度与射频电流的传输途径有直接关系 使用频率 敏感源 电磁干扰耦合路径 电磁干扰耦合路径 标准与规范 电磁兼容标准和规范是涉及电磁兼容问题并具有一定法律效力的文件 其主要研究内容有 电气电子系统或设备的电磁干扰 敏感度 电磁兼容测量技术 电子产品辐射的安全性 频段分配与指定等 标准是一个一般性导则 由它可以导出各种规范 而规范则是一个包含详细数据的 必须按照合同遵守的文件 电磁兼容三要素与标准的关系 电磁干扰源 电磁干扰敏感源 电磁干扰传播路径 标准中的干扰发射限制 标准中的敏感限值 解决三者之一都可以解决电磁兼容问题 内部重点设计 EMC测量标准 1 二战以后 美国军方最早开始编写有关EMC文件 制订统一管理规范 逐步升级为标准 MIL STD 285公布于1956年6月 其内容关于100kHz 10GHz电磁屏蔽室衰减特性测量方法 1967年正式发布美军标461A 经过实践461A标准有个修改完善的演变过程 461B 461C 461D 461E EMC测量标准类型 标准类型有基础标准 通用标准 产品类标准 专用产品类标准 军用标准举例 MIL STD 461 A B C GJB151A 152A等 民用标准举例 CISPR系列 IEC6000系列等 CISPR系列是IEC下属的国际无线电特别干扰委员会负责组织制定的 该组织主要负责制定9kHz以上的电磁干扰测量方法和测量设备标准研究 IEC6000系列是IEC下属TC77组织负责制定的 该组织主要负责制定9kHz以下的电磁干扰问题及整个频率范围内的抗扰性基础标准和通用标准研究 国家部分军用标准 GJB72 85电磁干扰和电磁兼容性名词术语MIL STD 463AGJB Z17 91军用装备电磁兼容管理指南MIL HDBK 237AGJB Z25 91电子设备和设施的接地 搭接和屏蔽设计指南MIL HDBK 419AGJB151A 97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求MIL STD 461DGJB152A 97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量MIL STD 462D系统电磁兼容性要求GJB1389A 2005MIL STD 464 标准与规范 电磁兼容标准和规范是涉及电磁兼容问题并具有一定法律效力的文件 其主要研究内容有 电气电子系统或设备的电磁干扰 敏感度 或抗扰度与电磁兼容性等 电磁兼容测量技术 电子产品辐射的安全性 频段分配与指定等 标准是一个一般性导则 由它可以导出各种规范 而规范则是一个包含详细数据的 必须按照合同遵守的文件 电磁兼容测量是复杂技术 EMC试验的特点 EMC试验的特殊地位 标准使用和裁剪 术语 EMI electromagneticinterference 电磁干扰 RE radiatedemission 辐射发射CE conductedemission 传导发射EMS electromagneticsusceptibility 电磁敏感度RS radiatedsusceptibility 辐射敏感度CS conductedsusceptibility 传导敏感度ESD electrosparkdischarge 静电放电EMP electromagneticpulse 核电磁脉冲 传导CE 辐射RS 磁场 GJB151A的内容 标准的使用问题 问题 部件 分系统已满足标准 在系统中不一定兼容 部件 分系统某些频段不满足标准 但在系统中不一定不兼容 原因 总体设计问题标准使用问题成本问题剪裁 测试项目频率范围限制线 极限值 陆军常用EMC标准 CE102电源线传导发射RE102电场辐射发射RS103电场辐射敏感度CS101电源线传导敏感度CS106电源线尖峰传导敏感度CS114电缆束注入传导敏感度CS115电缆束脉冲激励传导敏感度CS116电缆和电源线阻尼正旋瞬变传导敏感度 CE102传导发射 适用于EUT Equipment 或DUT Device 输入电源线 频率范围10kHz 10MHz 实验目的是检验设备是否通过供电线向电网发射谐波干扰 这种干扰会导致电网的质量达不到有关标准的要求 通常要求电网上的谐波电压不能超过供电电压的5 这个数值通常也是电气设备对电网的要求 限值线 RE102辐射发射 1 适用于设备和分系统壳体和所有互连电缆 不适用发射机的基频和天线辐射 频率范围10KHz 18GHz 测试目的是保护灵敏接收机不受接收天线耦合的干扰 许多调谐接收机的灵敏度在1uV数量级 需要用比较严格的要求来防止其性能降低而造成平台问题 RE102辐射发射 2 应将试验样机的可能最大辐射方向对准测量接收天线 30MHz以上频率使用天线测量时应取垂直 水平两种极化方式 电缆敷设状态尽量与真实使用状态接近 测量接收机的测量带宽等设置严格按标准规定 RE102电场辐射发射 3 RS103辐射敏感度 1 用来检验设备和分系统壳体及所有电缆抗辐射干扰 频率范围10kHz 40GHz 能力 极限值与安装平台的电磁环境相关 发射器特性 距离 屏蔽物等 测量目的是当由测量系统按EMC标准要求给试验样机施加定量的辐射干扰时 检验被测设备和分系统工作是否正常 RS103辐射敏感度 2 对陆军地面设备的极限值电平10KHz 2MHz20V m2MHz 1GHz50V m1GHz 18GHz50V m RS103试验配置图 CS101传导敏感度 1 CS101适用于设备和分系统的交流和直流输入电源线 不包括回线 其目的是在允许电源电压波形失真的脉动电压条件下确保设备性能不降低 频率范围25Hz 50kHz CS101传导敏感度 2 dB V136 6 3V 适用于 28V电源线126 2V 适用于 28V电源线116 0 63V 106 0 2V 25Hz5kHz50kHz对数座标 CS106传导敏感度 CS106适用于所有的交流和直流输入电源线 CS106用来检验试验样机所有不接地的交流和直流输入电源线承受耦合到电源线上的尖峰干扰信号的的能力 其目的是模拟被测件工作时开关闭合或故障引起的瞬变尖峰干扰 主电源系统切换 配电系统内在仪器附近开关动作或负荷变化 与开关装置有关的谐振电路及各种系统故障产生的干扰 CS106电源线尖峰信号传导敏感度 CS106项测试的目的是模拟交流和直流电源线上的瞬变 测量设备或分系统对电源线上的尖峰信号的敏感度 要求EUT在尖峰信号加至交流或直流电源线上时 不出现任何工作失常 性能下降或超出EUT规范或试验计划所规定的允差 电源线是所有从外部给EUT供电的不接地的交流或直流线缆 CS106试验有两个特点 一个是干扰以差模方式注人 另一个是具有较大的瞬间功率和一定的能量 CS106传导敏感度 2 车载设备 E 100V t 10 s弹载设备 E 200V t 10 s CS114传导敏感度 1 CS114传导敏感度注入射频信号 用来检验试验样机承受耦合到试验样机外部接口电缆上的射频信号 频率范围10kHz 400MHz正弦波 的能力 测量目的是检验试验样机的电缆束上感应的电磁能量是否会对设备造成干扰中 观察样机的工作是否正常 该试验的优点是试验数据可以直接与电缆在实际环境中感应的电流值相比较 CS114传导敏感度 2 车载设备采用图中的曲线2 dB A97 71mA 曲线389 28mA 曲线285dB A 18mA 77dB A 7mA 49 0 3mA 10kHz1MHz2MHz400MHz CS114传导敏感度 3 CS115传导敏感度 1 CS115传导敏感度注入脉冲信号 用来检验试验样机承受耦合到试验样机相关电缆上的快速上升和下降瞬变电流的影响 这种瞬变电流可能是由于平台开关操作 雷电 电磁脉冲等外部瞬态环境产生的 特别是设备使用平台上的电感负载断开时产生的干扰 试验目的是防止设备受快速上升和下降瞬变电流的影响而产生干扰 CS115传导敏感度 2 测量原理是在电气上串联连接具有常闭触点的继电器 并可连续自我中断 线圈和触点间的引线耦合瞬态信号到EUT的电缆上 剪裁可依据平台的瞬态环境提高或降低幅度或适当调整脉宽 CS115试验波形 CS116传导敏感度 1 CS116注入阻尼正弦瞬态传导敏感度用来模拟受试设备电缆上可能出现的衰减正弦干扰 检验试验样机承受耦合到试验样机相关电缆 外部接口电缆 上的阻尼正弦瞬态干扰的能力 此干扰是模拟如雷电和核电磁脉冲以及平台电气开关切换而引发的电磁现象 CS116传导敏感度 2 平台开关动作的瞬态效应会在特定电源线上产生差模干扰信号 平台外部场 或平台内部 耦合效应引起的瞬变会在电缆接口处产生共模干扰信号 依EUT类型不同 或与干扰信号峰值幅度相关 或与干扰信号的总能量相关 或与干扰信号的上升速率相关 标准规定的试验信号频率为10kHz 100MHz 10K 100K 1M 10M 30M 100M 3测试与设计 电磁兼容系统试验的原则之一 电磁兼容系统试验的原则之二 传导发射判断的步骤 滤波器安装问题 截止频率过高 过渡带不陡 高频滤波不良 1MHz 1MHz 10MHz 拔掉电源线附近的其它电缆 差共模判断 滤波器问题 差模 共模 开关电源测试RE102 是否是电源线的问题 拔掉电源线附近的其它所有电缆 解决其它电缆的问题 方法见辐射部分 进入电源线检查步骤 不带其它电缆 发射减小 发射几乎不变 仍然不合格 合格 辐射发射超标的原因排序 非屏蔽电缆 非屏蔽机箱 屏蔽不良电缆 屏蔽不良机箱 没有滤波滤波不良 布线不良频率过高 屏蔽层不良端接问题 孔洞 缝隙 2010 9 15赵晓凡 中国北方车辆研究所电磁兼容试验室 判断导致超标原因的步骤 拔掉所有信号电缆 所有电缆可拔下 只剩电源线不可拔下 无电缆 是 其它电缆问题 排除电源线故障 合格 不合格 电缆故障 排除机箱故障 仅保留电源线 不是 是否电源线问题 机箱问题 排除电缆故障 合格 排除电缆故障 不合格 逐根插上电缆 不合格 合格 不合格 结束 结束 合格 合格 合格 电缆故障的排除步骤 逐根接上电缆 测量辐射发射 减小电缆共模电流 不合格 合格 预测电缆辐射 不合格 合格 多根电缆时 每根电缆的辐射要有余量 接插件与线连接部分的加工规范和质量 系统通电部分功能 CAN未连接 系统通电全功能 CAN连接 电缆共模辐射对策顺序 屏蔽机箱 非屏蔽机箱 在电缆的干扰源端套铁氧体磁环 设置接地板 改善I O电路的接地 改善机箱内部电缆 电缆的I O端口滤波 无效 效果不够 没有此类问题 或措施不可实行 重新设计 增加或改良屏蔽电缆 抑制干扰的铁氧体磁环 铁氧体的安装方法 尽量靠近电缆端头 匝数多 匝数少 频率 衰减 整根电缆穿过 内径尽量小长度尽量大壁厚尽量大 增加接地板 改善接地 完整的金属板 I O区域与信号地接上 改善内部电缆 内部连线尽量短 使用屏蔽电缆 屏蔽层在两端与机箱连接起来 屏蔽电缆抑制共模辐射的条件 CM CM DM 屏蔽电缆的屏蔽层与屏蔽机箱一起构成完整的屏蔽体屏蔽层的常见错误 小辫连接 接到线路板的信号地上 接触电阻过大 电缆接口的滤波方法 容量适当的瓷片电容或独石电容 引线尽量短 电源电缆的故障排除 铁氧体磁环 正确安装滤波器 增加级数 已有滤波器 没有滤波器 10MHz 10MHz 换滤波器 正确选择 安装滤波器 适当的滤波器对于辐射发射很重要 机箱电磁泄漏的分析 缝隙 孔洞 衬垫问题 孔洞过大 妥善安装衬垫 辐射源过近 有衬垫 滤波 准备好近场检测系统 连接器 无衬垫 衬垫问题 辐射源过近 触点 周围 装密封衬垫 时钟信号的匹配两种不同的时钟信号布线图 其中 a 图为时钟信号的不良布线 时钟信号的顺序链 b 图为带串联负载的时钟信号最佳布线 a 图为时钟信号的不良布线 b 图为时钟信号的最佳布线 电磁干扰可控制 2010 9 15赵晓凡 控制方案实施具体内容 测试方案实施具体内容 系统试验要求 系统及所含部件的功能性描述 具有的工作状态 系统及所含部件的连接图 包括工装 检测仪器 系统的敏感性判据 系统的正常工作状态数据等是什么 功能降低或丧失 状态 现象 数据等 尤其对于有精度要求的传输数据 传感器信号等 要说明精度的等级 误码率要求等 四 空调案例分析 空调试验情况 安装有线控制器面板的设备 有线控制器面板安装有4MHz晶振 10MHz晶振 有一段线缆暴露在天线照射范围内 所以晶振的高次谐波能量有可能耦合在线缆中并发射出来 同时此电缆容易接收到与其长度形成谐振频率的干扰信号 造成敏感现象 辐射发射测试 2M 30M 安装了有线控制器面板 空调室内机未安装控制面板 4MHz谐波 辐射发射测试 2M 30M 安装了有线控制器面板 空调室内机安装控制面板 4MHz 10MHz谐波 辐射发射测试 30M 130M 安装了有线控制器面板 空调室内机安装控制面板 4MHz 10MHz谐波 辐射发射测试 30M 130M 未安装有线控制器面板 空调室内机安装控制面板 4MHz谐波 辐射抗扰度RS103 2010 9 15赵晓凡 中国北方车辆研究所电磁兼容试验室 基本满足要求