电磁兼容理论、检测与设计基础(二)

电磁兼容理论 检测与设计基础 电磁兼容理论 检测与设计基础 第二部分中国赛宝实验室 朱文立TEL 020 87237656FAX 020 87236171E Mail zwl ceprei biz 电磁兼容理论 检测与设计基础 四 电磁兼容标准及其检测技术 主要内容4 1电磁兼容标准构成及其相应要求4 2电磁兼容测试设备和场地4 3电磁骚扰的检测原理及方法4 4电磁抗扰度测试的基本原理和方法4 5谐波电流发射测量 电磁兼容理论 检测与设计基础 四 电磁兼容标准及其检测技术 电磁兼容是一门与测试技术紧密相连的科学 测试技术是电磁兼容的重要组成部分 影响到测试结果的变量和参数 比普通的测试多得多 为了使测试结果具有可比性 需要确定测试项目 统一测试场地 规定测试仪器和设备 本章重点介绍电磁兼容基础的测试项目 测试仪器 测试场地和测试方法 所涉及的产品为 视听产品 AV 家用电器 信息技术设备 IT 工科医设备 ISM 和灯具 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1电磁兼容标准构成及其相应要求 4 1 1国际标准 IEC CISPR标准国际上一些技术研究组织和管理协调机构 如国际电信联盟 国际大电网工作会议 国际电工委员会 IEC 及无线电干扰特别委员会 CISPR 等等 从事电磁兼容的协调 管理和技术标准的制定 IEC下属的TC77组织主要负责制订电磁环境标准 电磁兼容基础标准 较低频率范围和电磁脉冲的电磁兼容标准 而CISPR主要负责制订有关电磁兼容的产品标准及较高频率范围的电磁兼容标准 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 2欧盟标准 EN标准 欧洲电工标准化委员会 CENELEC 与IEC CISPR关系密切 其过去颁布的标准经常是引用IEC CISPR标准 但现在也出现这种情况 即其新制订或修订的EN标准影响IEC CISPR标准 当然两者一般基本上能达到同步 由此可见欧洲电磁兼容标准在国际上的地位及影响力 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 3美国FCC法规 美国联邦通信委员会FCC制订的法规FCCRules 即联邦规章法典第47卷 也涉及电磁兼容 主要是电磁发射方面的限制要求 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 4中国国家标准 我国的标准化工作正在积极与国际接轨 包括标准接轨 规范程序协调 承担国际义务和国际互认 近些年我国制订或修订的电磁兼容标准一般都等同或等效于IEC CISPR标准 现已发布实施的电磁兼容国家标准有三类 字头为GB的强制性标准 GB T推荐性标准 GB Z专业指导性标准 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 5标准类别 电磁兼容通常可分为通用标准 产品标准及基础标准 当被测样品并没有任何产品标准可依循时 方可引用通用标准 通用标准可视为一般通则 其中包括测试项目 所使用的基础标准 测试要求及判定准则等 例如EN50081 1 2 EN50082 1 2等 有产品标准可依循时 则依产品不同 引用不同的标准 在产品标准中会详细记载该类产品的测试项目 所使用的基础标准 测试要求及判定准则 例如EN55022 EN55024等 基本标准是最基层的标准 内容规范测试场地的设立 测试仪器的特性及测试方法 是进行测试时的依据 例如EN55016 EN61000 4 2 EN61000 4 3 EN61000 4 4等 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 5标准类别 续 平常 我们也根据标准考核产品的电磁兼容性能不同将标准分为电磁干扰标准和电磁抗扰度标准 电磁干扰标准通常是考核产品对外的电磁发射的大小 抗扰度标准考核的是产品的抗干扰性能 在国内 根据实施的要求不同 国标将电磁兼容分为强制性标准 以GB字头开始 推荐性标准 以GB T字头开始 专业指导性标准 以GB Z字头开始 强制性标准是适用于该标准的所有产品必须要达到的标准 推荐性标准是建议适用于该标准的产品达到的标准 专业指导性标准适用于专业产品 还有设计方法 安装等 在国内 一般来说电磁干扰标准多为强制性标准 电磁抗扰度标准多为推荐性标准 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 6EMC标准要求的主要检测项目 1 电源端子干扰电压 主要是考核产品对公用电网的干扰 测量在电源线的零线和火线上分别进行 2 其它端子干扰电压或干扰电流 这些端子一般包括通讯端口 有线广播端口和负载端口 3 辐射干扰场强及干扰功率 有关产品工作时 经常会通过其外壳或连接线向空间辐射电磁波 4 谐波电流 5 电压闪烁和波动以上属电磁骚扰测试项目 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 1 6EMC标准要求的主要检测项目 续 6 静电放电抗扰度 7 射频电磁场抗扰度 8 电快速瞬变脉冲群抗扰度 9 冲击 雷击浪涌 抗扰度 10 由射频场感应的传导干扰抗扰度 11 磁场 含工频磁场和脉冲磁场 抗扰度 12 电源电压跌落 瞬时中断及电压变化抗扰度以上属抗扰度测试项目 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2电磁兼容测试设备和场地 4 2 1测量接收机接收机是电磁干扰测量的最基本的设备 频率范围可从20Hz到40GHz 除谐波电流和电压波动外 其他的电磁干扰项目的测试几乎都要用到它 测量接收机是一台具有符合EMI测量特殊要求的频谱分析仪 适用测量微弱的连续波信号 幅值很强的脉冲信号 基本要求有 本机噪声小 灵敏度高 动态范围大 过载能力强 而且在整个测量频段内测量精度能满足 2dB要求 电磁兼容理论 检测与设计基础 1 各部分功能 a 传感器 被测信号的输入端口 可由电压探头 电流探头 各类天线等部件组成 根据测量的目的 选用不同部件来拾取信号 电磁兼容理论 检测与设计基础 b 输入衰减器 对外部进来的过大信号或干扰电平给予衰减 调节衰减量大小 保证测量接收机输入的电平在测量接收机测量范围之内 同时也可避免过电压或过电流造成测量接收机损坏 c 校准信号源 与普通接收机相区别 测量接收机本身提供内部校准信号源 可随时对测量接收机的增益加以自我校准 以保证测量值的准确 电磁兼容理论 检测与设计基础 d 射频放大器 利用选频放大原理 仅选择所需的测量信号 或骚扰信号 进入下级电路 其他无用信号则排除在外 e 混频器 将来自射频放大器的射频信号和来自本机振荡器的信号合成产生一个差频信号输入到中频放大级 由于差频信号的频率远低于射频信号频率 使得中频放大级增益得以提高 电磁兼容理论 检测与设计基础 f 本机振荡器 提供一个频率稳定的高频振荡信号 用于与输入的信号进行差频产生中频 g 中频放大器由于中频放大器的调谐电路可提供严格的频带宽度 又能获得较高的增益 因此保证接收机的总选择性和整机灵敏度 电磁兼容理论 检测与设计基础 h 检波器 通常具有1 4种检波方式 这四种检波方式为平均值检波 峰值检波 准峰值检波和均方根值检波 i j 输出指示 采用表头或显示屏指示电磁骚扰电平值 也可用通讯端口连接到电脑上 通过电脑显示器显示或打印 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 1测量接收机 续 2 准峰值测量接收机 采用准峰值检波器的测量接收机称为准峰值测量接收机 准峰值测量接收机的工作频率范围分为 A频段 频率范围为9kHz 150kHz6dB带宽 200HzB频段 频率范围为150kHz 30MHz6dB带宽 9kHzC波段 频率范围为30 300MHz6dB带宽 120kHzD波段 频率范围为300 1000MHz6dB带宽 120kHz 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 1测量接收机 续 3 其它测量接收机采用平均值检波 峰值检波和均方根值检波的测量接收机分别称为平均值测量接收机 峰值测量接收机和均方根值测量接收机 虽然这些检波器的性能是利用其对规则重复脉冲的响应来规定的 但它们也可用于测量各类非脉冲性质的无线电骚扰信号 如宽带骚扰及某些类型的窄带骚扰 频谱分析仪和音频电压表也常被用于测量骚扰信号 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 1测量接收机 续 4 使用注意事项a 测量无线电骚扰电压 电流 功率及场强时 测量接收机必须与辅助测量设备组成系统 主要的辅助测量设备有 人工电源网络 电流探头和电压探头 吸收式功率钳及测量场强的天线 为提高灵敏度可加前置放大器 为测量过强信号可加衰减器 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 1测量接收机 续 b 测量接收机是精密的测量仪器 使用时应注意使用的条件 包括电源电压 频率 温度与湿度 振动及骚扰信号的量级等 必须符合仪器的要求 输入端不能加直流电压 前级电路易损坏 在测量天线端和射频输出端有用信号时应特别小心 某些卫星接收机的天线端有直流馈电 测量时应采取隔直措施 测量过程可能出现强脉冲信号的测量 输入端可加限幅器和衰减器加以保护 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 2人工电源网络 1 人工电源网络的作用人工电源网络是电源端子传导骚扰电压测量的主要设备 又称线路阻抗稳定网络 能在射频范围内 在受试设备端子与参考地之间 或端子之间提供一稳定阻抗 同时将来自电源的无用信号与测量电路隔离开来 而仅将受试设备的干扰电压耦合到测量接收机输入端 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 2人工电源网络 续 人工电源网络有两种基本类型 耦合不对称电压的V型网络耦合对称电压和非对称电压的 型网络 人工电源网络都配有三个端子 连接电源的电源端 连接受试设备的设备端连接测试仪器的测量端 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 2人工电源网络 续 2 人工电源网络的网络阻抗人工电源网络设备端的阻抗定义为受试设备呈现的终端阻抗 当干扰输出端不与测量接收机相连时 该输出端应接50 的终端阻抗 下面介绍几种常用的人工电源网络 a 50 50 HV型人工电源网络 适用于0 15 30MHz频率范围 b 50 50 H 5 V型人工电源网络 适用9 150kHz频率范围 c 150 V型人工电源网络 适用于0 15 30MHz频率范围 d 150 型人工电源网络 适用于0 15 30MHz频率范围 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 2人工电源网络 续 3 隔离为了确保在所有测试频率上存在于电源上的无用信号不影响测量 也许需要在人工电源网络和电源之间插入附加的射频低通滤波器 使用低通滤波器后 其阻抗值也应满足网络阻抗值的要求 4 接地人工电源网络应通过低射频阻抗连接到参考地 接地不好 会严重影响测试结果 可通过将AMN的外壳与参考地或屏蔽室的一个参考壁直接搭接 或者用一个尽可能短而宽的 最大长宽比为3 1 低阻抗导体来连接 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 3电流探头 电流探头是测量传导骚扰的一种特殊的测量设备 部分标准明确规定用电流探头测量传导骚扰 其优点是不需与源导线导电接触 也不用改变其电路 用专门改进的卡式电流传感器就可以测量线上的非对称干扰电流 对复杂的导线系统 电子线路等的干扰测量可以在不打乱正常工作或正常布置的状态下进行 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 3电流探头 续 电流探头频率范围可达30Hz 1000MHz 电流探头在通带内具有平坦的频响 低于通带的频率范围 仍可进行精确测量 只是由于传输阻抗的减少降低了灵敏度 高于通带的频率范围 由于电流探头产生的谐振 测量将不精确 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 3电流探头 续 构造 电流探头附加屏蔽结构后 可以测量非对称 共模 干扰电流或者对称 差模 干扰电流 电流探头的构造能方便地卡住被测导线 被测导线充当一匝的初级线圈 次级线圈则包含在电流探头中 电流探头的卡式构造保证其能在不断开电源线的情况下进行测量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 4电压探头 电压探头由一个隔直电容器C和一个电阻R串连组成 使得电源线与地之间的总电阻为1500 此探头也可用来测量其他电源线上的电压 此时可能需要增加探头的输入阻抗 以避免高阻抗电路过载 电压探头的插入损耗应在9kHz 30MHz的频率范围50 系统中校准 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 4电压探头 续 任何测量用保护装置对测量精度的影响都不得超过1dB 否则应予以校准 要确保被测干扰电平远大于环境噪声电平 否则测量就没有意义了 连接探头的导线 被测电源线和参考地之间形成的环应尽可能的小 以减少强磁场的影响 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 5天线 天线 把高频电磁能量通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置 反之 天线的逆向功能亦可把空间的电磁能量转化为高频能量收集起来 天线是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测试的主要辅助设备 在辐射测量过程中 我们利用天线将电磁能量转换为电压进行测量 在抗扰度测量过程中 我们利用天线发射电磁能量 产生电磁场 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 5天线 续 天线的输入阻抗ZA 天线在馈电点的电压U V 与电流I A 之比值ZA U I 天线系数AF 接收点的场强E V m 与此场强在该天线输出端生成的电压V V 之比 AF E V电压驻波比VSWR 当传输线阻抗与负载阻抗不匹配情况下 必然引起输入波的反射 驻波比是表征匹配程度的系数 VSWR 1 1 式中 为反射系数 即反射电压与入射电压之比 匹配时 0 则VSWR 1 失配时 0则 VSWR 1 失配愈严重则驻波比 VSWR 愈大 电磁兼容理论 检测与设计基础 环型磁场天线 9kHz 30MHz 及其天线系数 电磁兼容理论 检测与设计基础 鞭状天线 150kHz 30MHz 及其天线系数 电磁兼容理论 检测与设计基础 双锥天线 30MHz 300MHz 及其天线系数 电磁兼容理论 检测与设计基础 对数周期天线 80MHz 1000MHz 及其天线系数 电磁兼容理论 检测与设计基础 喇叭天线 200MHz 40GHz 及其天线系数 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 电磁屏蔽室是对电磁场起隔离作用的设备 标准要求许多试验项目必须在屏蔽室内完成 它是一个由低电阻金属材料制作的封闭室体 利用电磁波在金属体表面产生反射和涡流而起到屏蔽 当与大地连接后 同时能起到静电屏蔽作用 屏蔽室广泛用于小信号高灵敏度要求的场合及计算机房等 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 屏蔽室材料 一般采用钢和铜两种材料 常用的有钢 铜 板屏蔽室和丝网屏蔽室 钢板屏蔽室分为焊接式和板块拼装式 用于电磁兼容测量的电磁屏蔽室除了有良好屏蔽性能的屏蔽室体外 屏蔽门 通风波导 电源滤波器和信号滤波器及接地等都影响屏蔽室总体性能 对不同性能的电磁屏蔽室 需配备相应性能的辅助设施 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 1 屏蔽室的屏蔽效能屏蔽体的屏蔽性能 是指模拟干扰源置于屏蔽室外时屏蔽室安放前后的电场强度 磁场强度或功率之比 屏蔽室的屏蔽效能按照使用要求和周围环境的电磁场强度来确定 一般使用要求为60 80dB 屏蔽效能大于100dB的称为高性能屏蔽室 屏蔽效能与频率有关 在低频段如10 100Hz 屏蔽效能比高频段差 而当频率高达微波段 如1GHz以上 屏蔽效能也会下降 这与屏蔽体的材料 加工制作工艺和屏蔽室体的几何尺寸有关 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 2 与电磁屏蔽室有关的辅助设施a 屏蔽门 屏蔽门是屏蔽室的关键部位 必须精心设计 精心加工 屏蔽门不管大小 都必须使门 门框与屏蔽室体紧密接触 防止电磁波从门缝处泄漏 屏蔽效能的大小 屏蔽门是主要的影响因素 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 b 通风波导 又称截止波导 电磁屏蔽室作为一个金属封闭体 室内的通风是通过截止波导来实现的 波导的孔径 深度等几何尺寸根据电磁屏蔽室的屏蔽效能来确定 c 滤波器 滤波器的作用是滤除线路中传输的高频信号分量 凡进出电磁屏蔽室的所有电缆包括电源线 信号线 控制线等均需通过滤波器 以滤除其中无用的高频分量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 3 接地将屏蔽室与大地用低电阻导体连接起来 称为接地 接地可分为三类 a 避雷接地 防雷电影响 b 电气接地 与电网的连接 保护设备和人身安全 c 高频接地 使高频信号与地构成通路 三类接地的目的用途不同其接地要求也不一样 对于电磁屏蔽室 一般要求单点接地 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 6电磁屏蔽室 续 4 屏蔽室的谐振任何的封闭式金属空腔都可产生谐振现象 屏蔽室可视为一个大型的矩形波导谐振腔 屏蔽室谐振是一个有害的现象 当激励源使屏蔽室产生谐振时 会使屏蔽室的屏蔽效能大大下降 导致信息的泄漏或造成很大的测量误差 为避免谐振引起测量误差 应通过理论计算和实际测量来获得屏蔽室的主要谐振频率点 以便在以后的电磁兼容试验中 避开这些谐振频率 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 1 概述电波暗室 anecholcchamber 是辐射骚扰场强和辐射抗扰度测量的测量场所 又称电波消声室 或电波无反射室 有两种结构形式 半电波暗室和全电波暗室 半电波暗室由电磁屏蔽室加射频吸波材料组合构成 侧面和室顶敷设射频吸波材料 地面为电波反射面 模拟开阔试验场 六个内表面全部敷设射频吸波材料时 称为全电波暗室 模拟自由空间 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 续 由于好的开阔试验场选址不易 使用不便 建在市区又会因背景噪声电平大而影响EMC测试 于是模拟开阔试验场的半波暗室成了应用较普遍的EMC测试场地 美国FCC 日本VCCI以及IEC CISPR等标准准许用半电波暗室替代开阔试验场进行EMC测试 电波暗室用于电磁辐射干扰测量和电磁辐射敏感度测量 主要性能指标用归一化场地衰减NSA和测试面场均匀性来衡量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 续 2 半电波暗室的结构半电波暗室中的测试环境是要模拟开阔试验场的传播条件 因此暗室尺寸应以开阔试验场的要求为依据 测试距离R为3m 10m等 测试空间的长度为2R 宽应为1 73R 3米法测试时 接收天线的高度要求在1 4m范围内改变 10米法测试时 天线高度要求在2 6m范围内改变 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 续 吸波材料的选择直接关系到暗室的性能 材料的吸波性能越好 即入射电波的反射率越小 对暗室中场强测量产生的不确定度就越小 常用的吸波材料有单层铁氧体片 角锥形含碳海绵复台吸波材料和角锥形含碳苯板复合吸波材料 几种材料各有优缺点 铁氧体片的特点是低频性能好 占用空间体积小 缺点是高频性能差 另两种材料的特点是工作频率范围宽 高端可达40GHz 承受功率大 但体积较大 目前已有综合了两类材料优点的新型复合吸波材料 电磁兼容理论 检测与设计基础 上图所示暗室就是五个内表面贴铁氧体片且在主要部分加含碳海绵复合吸波材料 1GHz以下主要靠铁氧体片起作用 1GHz以上主要是含碳海绵复合吸波材料起作用 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 续 3 电波暗室的测试暗室在完成屏蔽壳体的建造后 应进行屏蔽效能的测试 在粘贴吸波材料后 则应进行归一化场地衰减和测试面场均匀性的测试 4 归一化场地衰减测试 NSA 既然半电波暗室是为模拟开阔试验场而建造 暗室中的NSA就应和开阔场相一致 测试值与标准值之差小于 4dB 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 2 7电波暗室 续 5 均匀域测试 均匀域 是一个假想的垂直平面 在该平面中电磁场的变化令人满意地小 该均匀域尺寸为1 5mX1 5m 在布置辐射抗扰度试验时 应使受试设备受照射的面与均匀域的垂直平面重合 由于靠近参考地平面不可能建立一个均匀场 所以校准的区域在离参考地平面上方不低于0 8m处 均匀域的核准在空的屏蔽暗室中进行 在规定的区域内75 的表面上场的幅值偏差在标称值的0dB 6dB范围内 即认为该场地是均匀的 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3电磁骚扰的检测原理及方法 4 3 1干扰限值的含义在电磁干扰测量过程中 对批量产品 通常我们用80 80 准则来概括发射限值的含义 它是一个统计上的含义 即 在统计的基础上 大量生产的产品至少有80 符合限值的要求 置信度不低于80 也就是说 被判定为合格的一批产品并不意味着所有的发射都满足限值要求 只要80 的产品低于标准规定的限值即可 且置信度不低于80 电磁兼容理论 检测与设计基础 当该限制是用来判别单件产品是否满足标准要求时 情况比较复杂 如上图所示 假设测量值为x 限值为A 该测量项目的测量扩展不确定度半宽为a 那么 当xA a时 我们判断被测样品测试不合格 当A a x A a时 我们认为测试结果为不确定 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 2被测样品工作状态的选择 工作状态的选择应遵循以下主要原则 a 使其能够代表实际中的典型应用情况 使其发射最大 b 如果没有给定试运行时间 在试验之前 EUT应运行足够的时间 以使保证其运行的状态和方式是寿典型状态 c EUT应在额定的电源电压下工作 如果骚扰电平随电源电压显著地变化 则应在0 9 1 1倍额定电压下 重复那些测量 如果EUT的额定电压不止一种 应在产生最大骚扰的额定电压下进行试验 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 2被测样品工作状态的选择 续 d 如果骚扰电平不稳定 那么每次测量时 测量接收机的读数观察时间应不少于15s 应记录下最高读数 对任何孤立的尖峰 可忽略不计 e 如果骚扰电平总体上不稳定 在15s内显示的电平连续上升或下降超过2dB 那么应该在更长的时间内观察该骚扰电平 在大多数情况下 我们很难一下就找到EUT最大发射时的工作状态 在这种情况下 试验人员需要不断变换EUT的工作状态 或运行程序 反复试验 直至找出最大发射时的状态 通过积累 逐渐确定某一类产品最大发射时的工作状态 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 3EUT的配置 EUT的配置主要由以下因素确定 a 所需连接的电缆负载 或装置 的数量 型号和长度 b 所需安装的模块 如各类插卡 低板 的数量和类型 c 由数个独立单元组成的系统中 有代表性的 最小单元的组合和数量 d 既能成为系统组成部分 又能自成分统的设备单元 试验时可独立系统进行 e 对于功能上有交互作用的 连接实际负载或能代表其电气特性的模拟负载 f 为增强宿主单元组成功能而在市场上独立销售的印制线路板组件 试验时 应在由制造商选择的有代表性的宿主单元内进行 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 4传导骚扰电压 1 测量设备 设施及要求a 测量接收机9kHz 30MHz 具有峰值 准峰值和平均值检波功能 能满足GB T6113 1要求 b 人工电源网络 AMN 电源端测量用 能满足GB T6113 1相应的阻抗特性曲线的要求 c 电压探头和电流探头 不使用AMN测量时用 d 阻抗稳定网络 ISN 电信端口测量用 e 比EUT边框大0 5m的接地平板 最小尺寸为2m 2m f 干净的 三相电源 以便能够分别给测试系统 EUT中的受试端口和支持设备 如辅助设备的电源端口 单独供电 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 4传导骚扰电压 续 2 试验程序以台式EUT为例 给出一般的试验程序仅供参考 a 严格按照产品标准中的布置图进行试验布置和连接 b 测量环境电平 确认环境电平比相应限值低6dB c 按标准要求或其他要求选择相应的限值 d 选择EUT的工作状态 并使之投入运行 e 在150kHz 30kHz频率范围内 依次对每根导线进行测量 f 先进行初测 找出最大骚扰所对应的工作状态和频率 g 进行最终测试 记录测量数据 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 4传导骚扰电压 续 只要有可能 就应使用AMN来测量系统导线的骚扰电压 对于没有一个适当的AMN的时候 电压探头也可用于传导测量 而对某些测量 在有关的产品 类 EMC标准中则可能规定使用电流探头 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 4传导骚扰电压 续 3 使用电压探头的测量为了对带有数根连接导线或可以连接数导线的装置和系统进行测量 在那些不能用人工电源网络进行测量的导线端与天线控制线以及负载线的连接插座上的骚扰电压 必须使用高输入阻抗 1500 或者更大 的电压探头来测量 测量时 初级电源输入线必须被隔离并用AMN作射频端接 不使用电压探头来测量的那些导线 在布置和长度方面则必须遵守相应规定和各自的产品 类 EMC标准规定的运行条件 电压探头应通过同轴电缆连接到测量接收机上 它的屏蔽层被连接到参考地和电压探头外壳 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 4传导骚扰电压 续 4 使用电流探头的测量由于某些原因 骚扰电流测量可能是有用的 首先 在某些设备中也许不可能插入AMN 当对固定安装的系统或者大电流的EUT进行测量时尤其如此 其次 使用电流探头的原因是 在频率范围的低端 电源阻抗变得很低 以致骚扰源成为一个电流发生器 因此就可以用电流互感器来测量这个电流 而无需中断或拆开电源的接连 测量时 如果只有一根导线被包围住 那么测量的是差模和共模骚扰电流分量和叠加值 此时如果存在任何大的工作电流 那么由于电流探头的磁芯可能饱和而有数据不真实的风险 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 5骚扰功率测量 30MHz 300MHz频率范围内 设备内部的各种骚扰能以辐射方式从连接的屏蔽或非屏蔽导线向外辐射骚扰能量 吸收钳用于对这些导线作测试 一般 这种方法对于小型EUT和30MHz 300MHz频率范围内的骚扰测试很适用 在每一个产品 类 EMC标准中都应规定严谨的测量程序及其适用范围 如果不带连接导线EUT的尺寸接近测量频率的四分之一波长时 就可能产生机壳直接辐射 因此吸收钳方法不适合于评价EUT的全辐射能力 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 5骚扰功率测量 续 1 试验设备及要求a 测量接收机 30MHz 300MHz频率范围具有峰值 准峰值和平均值检波 能满足GB T6113 1要求 b 吸收钳 性能应符合如下的要求 吸收钳对于被测器具呈现的阻抗为100 200 电抗分量小于20 吸收钳输出阻抗为50 频率范围30 300MHz 插入损耗17dB 吸收钳对于来自电网的骚扰能提供足够的衰减 被测器具的工作电流通过时 吸收钳的磁路不应饱和 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 5骚扰功率测量 续 2 测量方法使用吸收钳测量时 EUT应放置在至少高40cm的非金属台上 被测导线沿水平方向拉成直线放置 以便吸收钳能沿着导线移动位置从而找出最大指示值 可变长度导线至少应延长为最低测量频率的半波长加上吸收钳的长度 和可能需要的第二个吸收钳的长度 在30MHz长度为6m 而有第二个 用于滤波的 吸收钳时则必须至少是7m 短于1m的导线不适于用吸收钳测量 标准要求为长度 25cm的导线均要测试 可改用长度大于1m的连接线 电磁兼容理论 检测与设计基础 吸收钳环绕着被测导线放置 对于每个试验频率 沿导线方向上放置的吸收钳应从EUT开始 自零变化到半个波长的距离 此时 与吸收钳相连接的测量接收机获得的最大指示值正比于能得到的骚扰功率 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 5骚扰功率测量 续 当对有一根以上附属导线的EUT测量时 如果可能的话 在测量另一根导线时 应卸去一些可拆下的导线 不能取走的导线 则用放置有损耗铁氧体环或紧靠着EUT环绕该导线放上另一个吸收钳来隔离 测试过程中 在测量装置80cm以内不应有人或金属物体 吸收钳的移动可以用滑轮和在远处运转的电动机操纵绳索来完成 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 试验场地的特性将直接影响辐射测量的结果 应尽可能地采取一些有效措施 确保场地的有效性和测量的一致性 1 试验设备 设施及要求a 圆形开阔场或半电波暗室 水平和垂直场地衰减测量值与理想场地之差不得大于 4dB b 量接收机 30MHz 1GHz频率范围 具有峰值 准峰值检波 能满足GB T6113 1要求 c 宽带天线 30MHz 1GHz频率范围 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 2 测量距离测量距离是EUT最接近于天线的那一点和天线频率中点在地面上的投影之间的距离 在某些试验装置中 这个距离是从天线到EUT的辐射中心来测定的 测量距离为10m时这两种方法都可以采用 在大多数的室外场地情况下 优先采用10m距离 因为在这个距离上预计的被测骚扰电平会远高于允许进行试验的一般环境电平 通常不采用小于3m或大于30m的距离 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 EUT应在符合辐射骚扰限值的规定距离上进行测量 除非因为设备的大小等因素而不能这样做 如果有必要采用规定以外的测量距离 那么应当采用产品 类 EMC标准中规定的方法来外推测量结果 如果没有给出指南 则必须提供适当的外推理由 一般 外推法并不遵循简单反比距离的定律 目前国内实验室普遍采用3米半电波暗室进行辐射骚扰场强测试 在可能的场合下 应在远场条件下进行测量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 3 天线高度变化对于电场强度测量 天线距离地平面的高度应在规定的范围内变化 以便获得直射波和反射波同相位时会出现的最大读数 对于测量距离小于和等于10m时 在测量电场强度时天线高度最好在1m 4m之间变化 在30m以下的较大测量距离时 天线高度最好在2m 6m之间变化 对磁场强度测量 使用单环磁场天线时 接收天线的高度可以固定在规定的标高上 从地面到环天线底部的典型值为1m 环天线或EUT应作方位旋转 以便找到最大的被测骚扰 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 4 EUT的布置试验单个或多个部件的系统应满足下列两个条件 a 系统按典型应用的情况布置 b 系统要按产生最大骚扰的方式布置 术语 系统 是指EUT及与EUT相连的部件和所有需要连接的电缆的组合 术语 布置 是指EUT系统的其他部件 互连电缆以及组成该系统的电源线的定位或取向 在所有的测量中 系统的布置都应调整到使上述两个条件满足 首先满足条件a 然后满足条件b 本语 典型的 用来描述EUT实际使用中是如何布置的 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 5 试验程序以台式EUT 采用宽带天线并在3m半电波暗室内进行的自动测量为例来说明一般的试验程序 对于落地式或者台式与落地式组合起来的EUT 试验人员可参照实施 a 格按照标准布置图进行试验布置和连接 b 对EUT 选择相应的限值 c 对环境电平分别进行水平极化和垂直极化测量 确认比相应的骚扰限值低6dB 正规的EMC试验室应定期检验试验场地的有效性 d 按前述原则选择EUT的工作状态 并使EUT投入运行 e 进行水平极化测量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 3 6辐射骚扰场强测量 续 f 按手动或自动测量程序进行测量 在30 1000MHz频率范围内进行初测 在0 360 之间旋转转台 在1 4m高度范围内升降天线 充分考虑转台角度 天线高度和EUT的工作循环三个变量的组合 初步确定骚扰较大的频率点 g 对每一个有怀疑的频率点在0 360 之间旋转转台 寻找最大骚扰电平 准峰值 继续在1 4m高度范围内升降天线 寻找该频率点上EUT的最大骚扰电平 准峰值 直到确认该骚扰场强值是转台角度 天线高度和EUT的工作循环三个变量范围内的最大值 h 在所有较大的骚扰电平所对应的频率点上重复g 改变天线的极化方向为垂直极化 重复f g 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4电磁抗扰度测试的基本原理和方法 抗扰度测量通常是用对EUT的抗干扰能力已经达到某一规定的水平来判断的 通过对EUT施加有用试验信号和无用试验信号的方法来进行 EUT的布置应模拟正常工作状态 随着严酷度的增加而逐渐加大无用信号 直到检测到所规定的性能下降或施加的无用信号达到了规定的抗扰度电平为止 两者取低者 电磁兼容理论 检测与设计基础 上图表示所有抗扰度测量方法所依据的基本原理图 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4电磁抗扰度测试的基本原理和方法 续 有用信号是使EUT保持在某种正常工作状态的信号 如使彩色电视机正常工作的彩条信号和伴音信号 无用信号是指抗扰度标准规定的干扰信号 可以是连续波信号 脉冲信号 电磁场或电源的变化 耦合途径可以是线缆上的电压 电流的耦合 也可以是空间的辐射场的耦合 对EUT性能的评定有功能上的 有性能参数上的 也有主观听觉和视觉上的 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4电磁抗扰度测试的基本原理和方法 续 可以用直接辐射或电流 电压注入法来施加无用信号 多数情况下 为了全面评价EUT的抗扰度 直接辐射和电流 电压注入技术都需要采用 直接辐射试验可以用天线发射场强 由EUT截获场强的方法来进行 在某些情况下 对于高度小于1m的EUT直接辐射试验 有界 场是很有效的 产生有界场的例子如TEM室 带状线天线和混响室等 其优点是占用场地小 容易产生较高的场强 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 1性能下降客观评价方法 可以通过监测电压 电流 特定的信号和音频检波电平等方法来对EUT的抗扰度做出客观评价 这些电信号可以采用模拟或数字记录技术来记录 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 2性能降低主观评价方法 对于那些具有图像或声音或者两者功能兼有的EUT 如电视机 其抗扰度的主观评价方法是对具有这种功能的EUT采用监测其图像和 或声音的性能降低来进行 与客观评价所用方法的不同之处在于不采用模拟的或数字的形式去直接记录特定的电信号或类似的信号和电平 而是用人的感觉术语来表述性能降低 例如 人对烦扰效应的听觉或视觉的感受 这些无用抗扰度信号可与进行客观抗扰度评价测量时所用的无用信号相同或类似 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 3限值测量法 实际测量时 可能并不需要测量实际的抗扰度电平 例如 知道EUT是否满足限值就足够了 可将无用信号保持在某个限值电平上 而不是在每个试验频率上作调节 并在整个试验范围内作频率扫描 如果在任何时刻 无论是客观上还是主观上均未观察到性能降低 则认为EUT满足该限值 这种方法通常被称为 合格 不合格 试验法 在符合性检验过程中 合格 不合格 试验法是最常用的方法 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 4抗扰度性能降低分类及试验结果判别 要制定合理的抗扰度判别准则就需要定义什么是性能降低 下面给出这样一种性能累进降低的建议 A没有降低 设备符合设计规范 此类判别准则适用于那些敏感的保健设备和安全设备以及那些对众多消费者有影响的服务设施 也可用于一些关键性生产过程或设备运行的抗扰度准则 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 4抗扰度性能降低分类及试验结果判别 续 B明显降低 在这种情况下 性能已经受到了电磁骚扰的影响 一些明显性能降低的例子如视频和音频电路噪声增大 控制电路信噪比减少 数字系统的误码率接近系统允许的最大承受力 或者有烦人的音频和视频骚扰 电子产品 设备无需操作者介入即可继续使用 这种性能降低通常用于大量生产的产品 当去除抗扰度信号时 性能降低现象即消失 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 4抗扰度性能降低分类及试验结果判别 续 C严重降低 在这一类别 产品将不能够连续满意地工作 这一类别的抗扰度电平应被设定在极偶然的情况下才会出现性能严重降低的水平上 此时需要操作人员介入 如系统闭锁 复位 其他的存储修改 电子产品 设备才能够恢复其特定的运行状态 D失效 完全丧失工作能力 这是最严重的性能降低类别 此时 产品完全失效并且不能重新恢复使用 最终会发生机械损坏 不能现场修复 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 4 4抗扰度性能降低分类及试验结果判别 续 符合A的产品 试验结果应判合格 这意味着产品在整个试验过程中功能正常 性能指标符合技术要求 符合B的产品 试验结果应视其产品标准 产品使用说明书或者试验大纲的规定 认为某些影响是不重要的 因而也是可以判为合格 符合C的产品 试验结果除了特殊情况并且不会造成危害以外 多数判为不合格 符合D的产品判别为不合格 符合B和C评判标准的产品试验报告中应写明B类或C类评判依据 符合B类应记录其丧失功能的时间 性能降低状态的判别准则在产品 类 EMC标准中规定 不同标准要求并不完全一致 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5谐波电流发射测量 GB17625 1 2003idtIEC61000 3 2 2001 电磁兼容限值谐波电流发射限值 设备每相输入电流 16A 介绍 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 1基本概念 一个周期函数可以分解为傅立叶级数 表示为多级正弦函数的和式 即可把周期信号当作是正弦函数的基波与高次谐波的合成 所以 我们可以将设备的电流波形分解为基波和高次谐波 通过特定的仪器测量高次谐波含量 GB17625 1考虑到第40次谐波电流含量 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 2谐波的危害 大量的非线性设备应用 会造成电网电压波形畸变 使电网电能质量下降 当电网中存在过量的谐波电流 不仅会使发电机的效率降低 严重时还会造成发电机和电网设备的损坏 同时还会影响电网用户设备的正常工作 比如计算机运算出错 电视机画面翻滚 正是出于保护共用电网电能质量 保障电网和用户设备的正常进行 IEC提出了谐波电流限值标准 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 3标准的适用范围 该标准只对接入频率为50Hz 60Hz 相电压为220V 230V 240V的低压供电系统且每相输入电流不大于16A的设备提出谐波电流限值要求 该标准是一个通用电磁兼容标准 一般地说 适合于本标准的产品类别较多 如家用电器 电动工具 电气照明设备 信息技术设备 影音设备等等 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 4设备的分类 分类是按照谐波电流限值不同而进行的 A类 平衡的三相设备 家用电器 不包括列入D类的设备 工具 不包括便携式工具 白炽灯调光器 音频设备 以及除以下几类设备外的所有其他设备B类 便携式工具 不属于专用设备的电弧焊设备C类 照明设备D类 有功功率不大于600W下列设备 个人计算机和个人计算机显示器 电视接收机 B类 C类和D类设备定义比较简单 A类的区分比较复杂 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 5通用要求 测量方法 1 标准附录C给出了多种设备的谐波电流测量试验条件 对于附录C中未列出的设备 发射测量应在用户操作控制下或自动程序设定在正常工作状态下 预计产生最大总谐波电流 THC 的模式进行 这是规定了发射试验时设备的配置 而不是要求测量THC值或寻找最恶劣状态下的发射 2 谐波电流限值仅适用于线电流而非中性线电流 对于单相设备 允许测量中性线的电流代替线电流 电磁兼容理论 检测与设计基础 3 根据制造商提供的信息对受试设备进行测量 为了保证测量结果符合正常使用时的状况 在试验开始前 可能需要由制造商启动电动机预运行 4 当限值是以功率的形式给出时 该功率值应在试验过程中被用来确定限值 谐波电流和有功输入功率应在相同的试验条件下测量 但不需同时测量 4 5 5通用要求 续 电磁兼容理论 检测与设计基础 5 对于C类设备 制造商规定的基波电流和功率因数应被用于限值的计算 基波电流分量和功率因数由制造商测量和规定 如同D类限值的计算而测量和规定功率一样 所用的功率因数值应从与电流基波分量值相同的DFT测量窗获得 6 当手动或自动的将设备投入或退出运行状态 持续时间小于10s的谐波电流不予考虑 被试设备不应在待机模式下超过任何观测周期的10 7 对于安装在机柜或机箱内的组合式设备 若分立单元可以单独接到电网中 则只需对各分立单元进行谐波电流测量 而不必考核组合式设备整体 4 5 5通用要求 续 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 6谐波电流限值 下列类型设备的限值在本标准中未作规定 额定功率75W及以下的设备 照明设备除外 将来该值可能从75W减小到50W 总额定功率大于1kW的专用设备 额定功率不大于200W的对称控制加热元件 额定功率不大于1kW的白炽灯独立调光器 电磁兼容理论 检测与设计基础 1 A类设备的谐波电流限值A类设备的谐波电流限值是有效值 单位为安培 2 B类设备的谐波电流限值B类设备的谐波电流限值是A类设备的限值的1 5倍 4 5 6谐波电流限值 续 电磁兼容理论 检测与设计基础 3 C类设备的谐波电流限值3 1有功输入功率大于25W对于有功输入功率大于25W的照明电器 谐波电流不应超过C类设备的相关限值 A类设备的限值适用于带有内置式调光器或壳式调光器的白炽灯灯具 3 2有功输入功率不大于25W对于有功功率不大于25W的放电灯 标准有特别要求 如放电灯带有内置式调光器 测量仅在满负荷条件下进行 4 5 6谐波电流限值 续 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 D类设备的谐波电流限值4 1只限制奇次谐波电流 4 2奇次谐波电流不仅要符合最大允许谐波电流 还要符合 每瓦功率允许的最大谐波电流 4 5 6谐波电流限值 续 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 7谐波电流测量仪器 谐波测量设备一般由两部分组成 精密电源单元与测量仪表单元 要求电源部分能向被测设备提供良好波形的电压源 负载能力和平坦的阻抗特性 一般实验室都使用可编程精密电源作为谐波测量仪的电源部分 标准规定测量仪表单元必须是离散付氏变换 FFT 的时域测量仪器 时域谐波测量仪器能够连续 准确地同时测量全部各次谐波所涉及的幅值 相位角等需要量 目前实验室多采用以FFT为频谱分析原理的谐波测量仪 而且通常是与电源在一起的组合式 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 8试验条件 标准中规定了部分类型设备谐波电流的试验条件 对于没有提到的设备 发射测量应在用户操作控制下或自动程序设定在正常工作状态下 预计产生最大总谐波电流 THC 的模式进行 这是规定了发射试验时设备的配置 而不是要求测量THC值或寻找最恶劣状态下的发射 几种典型设备的试验条件 1 彩色电视机电视接收机按照GB T17309 1规定的条件进行试验 试验条件和电视接收机的设置应与功率消耗的测量相同 电磁兼容理论 检测与设计基础 4 5 8试验条件 续 2 声频功率放大器首先确定测试时对被测设备的输入信号类型 比较音频输入端在无信号输入与有额定信号源电动势之间输入信号 若引起设备输入电流变化小于最大电流的15 则在无输入信号下试验 否则 按如下条件测量 音质 音色等控制功能调整至可获得最宽平坦的频响特性 输入是带有上下边带限制的白噪声信号 3 信息技术设备ITE应整定到额定电流时进行试验 如有必要 可以将设备的电源带上附加负荷 电阻性 以模拟额定电流的情况 由制造商提供的为ITE系统设计的专用的供电装置 如变压器 UPS电源 功率调节器等 在接入到配电系统时应满足本标准限值的要求 电磁兼容理论 检测与设计基础 五 电磁兼容设计要点 主要内容5 1电磁兼容设计方法5 2电磁兼容设计一般要求5 3电磁兼容控制策略与控制技术5 4电磁兼容性补救措施 电磁兼容理论 检测与设计基础 5 1电磁兼容设计方法 5 1 1电磁兼容设计方法电磁兼容性是靠周密有效的设计实现的 试验测试作为检验和发现问题的技术手段是不可缺少的 然而没有合理周全的电磁兼容性设计 试验测试发现了干扰问题也只能是亡羊补牢 因此电磁兼容性必须从设计抓起 重视设计工作是十分必要的 电磁兼容理论 检测与设计基础 基本电磁兼容设计