- 靜電放電抗擾度試驗
- 射頻輻射電磁場抗擾度試驗
- 脈沖群抗擾度試驗
- 浪涌抗擾度試驗
- 電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗
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【第二講】汽車電磁兼容標(biāo)準與試驗趨勢
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電子電氣產(chǎn)品電磁兼容性指標(biāo)合格與否，已成為市場準入或市場流通的必要條件，無論電子產(chǎn)品是出口還是內(nèi)銷，都必須通過產(chǎn)品的EMC測試認證。企業(yè)需要了解電磁兼容標(biāo)準知識，按照標(biāo)準進行電磁兼容測試和電子系統(tǒng)優(yōu)化，才能生產(chǎn)出滿足需求的產(chǎn)品。
本期大講臺分為三部分：第一部分解讀最新的電磁兼容抗干擾國家標(biāo)準，比較新老基礎(chǔ)性抗干擾度標(biāo)準的差異性，并給出標(biāo)準執(zhí)行中可能遇到問題的解決方法，幫助大家從容應(yīng)對新產(chǎn)品標(biāo)準的頒布。第二部分結(jié)合汽車EMC試驗標(biāo)準的實際案例，介紹汽車ESD試驗、瞬態(tài)抗擾性試驗、電壓瞬變試驗新舊版本的差異，教大家準確把握行業(yè)EMC試驗標(biāo)準的發(fā)展趨勢。第三部分分享和解決系統(tǒng)電路設(shè)計中的常見EMC問題，幫助工程師合理制定整改方案和進行電子系統(tǒng)的優(yōu)化，縮短EMC測試認證的過程。
目前電磁兼容抗干擾國家標(biāo)準新舊版并存，不少企業(yè)對新舊版本差異以及如何理解這些差異不甚清楚，一旦新的產(chǎn)品標(biāo)準頒布便會措手不及，甚至造成不可估量的損失。本文解讀最新的電磁兼容抗干擾國家標(biāo)準，從靜電、射頻輻射電磁場、脈沖群、浪涌和電壓跌落五方面比較新老基礎(chǔ)性抗干擾度標(biāo)準的差異性，并給出標(biāo)準執(zhí)行中可能遇到問題的解決方法。
1 靜電放電抗擾度試驗
1.1不接地設(shè)備的試驗方法
關(guān)于不接地設(shè)備的試驗配置，新版標(biāo)準與舊版標(biāo)準的配置是相同的。關(guān)鍵是在單次放電時（無論是空氣的，還是接觸的），試品上的電荷應(yīng)當(dāng)在每次施加靜電放電脈沖之前先行釋放（釋放掉在需要施加靜電放電的金屬點或金屬部位上的電荷）。
可以采用的方法之一是，使用類似于水平耦合板和垂直耦合板上釋放電荷的方法，即通過帶有470K瀉放電阻的電纜進行放電的方法。若功能允許，在靜電放電試驗時可以保留帶瀉放電阻的電纜安裝。在放電電纜中，一個電阻要盡可能地靠近EUT上的試驗點，最好小于20mm；另一個電阻接在電纜線的末端附近，與水平耦合板（對臺式設(shè)備）或參考接地板（對地面設(shè)備）相連。詳見以下兩圖。
對于因為帶瀉放電阻的電纜的存在，有可能會影響某些設(shè)備試驗結(jié)果的話，則在試驗期間可先卸掉電纜，再做試驗。試驗結(jié)束后，把電纜再裝上去，以便在兩次連續(xù)放電之間，讓電荷有足夠衰減。
作為替代，可采用下述方案：
- 將兩次連續(xù)放電之間的時間間隔增長，達到讓試品上的電荷自然衰減到允許值索需的時間。
- 在接地電纜上采用帶瀉放電阻（例如2*470KΩ）的碳纖維刷子。
- 在試驗環(huán)境里采用空氣—離子發(fā)生器來加速試品的“自然”放電過程。在做空氣放電實驗時，離子發(fā)生器應(yīng)關(guān)閉。
1.2對試品的直接放電
對下述項目可簡化放電試驗：
- 只有在維護時才能觸及的點和面。
- 只有最終用戶檢修時才能觸及的點和面。例如，在更換電池觸及的電池觸點，錄音電話的磁帶盒等等。
- 對于在安裝固定后，或者按說明使用后不再觸及的點和面，例如，設(shè)備的底部以及靠墻壁的一側(cè)，適配連接器的后面。
- 同軸以及多芯連接器觸點，由于它們都有一個金屬的連接器外殼，在這種情況下，接觸放電僅僅施加在連接器金屬外殼上。
- 對非導(dǎo)電外殼（如塑料）連接器中可接觸到的觸點，只是采用空氣放電來做試驗，應(yīng)當(dāng)在靜電放電發(fā)生器上采用圓頭的電極來做這個試驗。
對于那些對靜電放電敏感的連接器的觸點或其他可觸及部分，例如測量、接收或其他通信功能的射頻出入端，由于功能的原因，應(yīng)采用靜電放電的警告標(biāo)識。因為許多連接器端口是被用來處理模擬或數(shù)字的高頻信號的，不能提供有足夠過電壓保護能力的器件。[page]
1.3 對水平耦合板的放電
對水平耦合板的放電，要在水平方向來對水平耦合板的邊進行。在朝對EUT每一個單元（若適用）的中心點，且與EUT前端相距0,1m處的水平耦合板前緣處，以最敏感的極性，至少做10次單次放電。放電時，放電電極的長軸要處在水平耦合板的平面里，且垂直于它的前緣，放電電極要與水平耦合板的邊緣相接觸。詳見下圖所示。另外，要考慮對EUT所有暴露面做這個試驗。
2.1試驗的嚴酷度等級
在新版標(biāo)準里對試驗的嚴酷度等級分為一般試驗等級和針對數(shù)字無線電話的射頻輻射而設(shè)定的試驗等級。其中一般試驗等級與舊版標(biāo)準沒有什么不同。
至于保護設(shè)備抵抗數(shù)字無線電話射頻輻射而設(shè)定的試驗等級，在下表給出頻率范圍為800MHz~960 MHz，及1.4GHz~2.0 GHz的優(yōu)先試驗等級。
2.2試驗場地的校準
校準試驗場地的目的是為了確保試驗樣品周圍的場是充分均勻的，以保證試驗結(jié)果的有效性。在校準過程中不進行調(diào)制，以保證傳感器指示正常。
在舊版標(biāo)準中只講到在新版標(biāo)準中所謂的“恒定功率校準方法”。在新版標(biāo)準中提到了兩種校準方法，即：“恒定功率校準方法”和“恒定場強校準方法”，標(biāo)準認為這兩種方法的校準結(jié)果是等價的。
新版標(biāo)準還規(guī)定采用未調(diào)制的載波分別對水平和垂直兩種極化進行校準，校準場強為所施場強的1.8倍（這一要求在舊版標(biāo)準中沒有提到），以確保放大器能處理調(diào)制信號，且不致飽和。
3脈沖群抗擾度試驗
下面給出新、老國標(biāo)中不同的部分。
3.1脈沖群發(fā)生器的特性參數(shù)
由于當(dāng)代脈沖群發(fā)生器無一例外都采用高壓電子開關(guān)。這一改變，對提高脈沖群發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，及提高試驗頻率起到了關(guān)鍵作用。因此新一代脈沖群發(fā)生器與早期的脈沖群發(fā)生器的特性參數(shù)有了一些不同點，主要體現(xiàn)在以下兩方面：
①給出了兩種不同負載條件下（50Ω和1000Ω）的輸出波形要求（發(fā)生器的輸出阻抗仍為50Ω）
②脈沖重復(fù)頻率去除了2.5kHz這一檔。新標(biāo)準不分試驗的嚴酷度等級，統(tǒng)一取5kHz或100kHz作為試驗脈沖的頻率。詳見下表。
[page]從新標(biāo)準對脈沖群發(fā)生器特性參數(shù)的要求和新標(biāo)準中的脈沖重復(fù)頻率和試驗等級的關(guān)系可以看到：
① 新標(biāo)準對脈沖的重復(fù)頻率要求有了提高。原先第4級的2.5kHz頻率沒有了，代之以脈沖頻率全部是5kHz或100kHz。
② 脈沖的重復(fù)頻率提高并不會造成對受試設(shè)備注入能量的增加，注入受試設(shè)備的脈沖總量沒變（仍為75個），只是單位時間內(nèi)的脈沖密集度程度有了增加。
③ 考慮到國外專家對脈沖試驗的故障機理解釋為是干擾脈沖對線路結(jié)電容的充電，因此，脈沖頻率越高，單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)越多，對結(jié)電容的電荷積累也越快，越容易達到線路出錯的閥限。故新標(biāo)準把測試頻率提高，其本質(zhì)上是將試驗的嚴酷程度有了提高。
另外，從表中可以看到，必須對發(fā)生器的性能進行校驗，以便對所有參與做試驗的試驗發(fā)生器的性能建立一個共同依據(jù)。校驗可采用下列步驟：
在試驗發(fā)生器的輸出端依次分別接入50Ω和1kΩ的同軸衰減器，并用示波器加以監(jiān)測。其中50Ω是試驗發(fā)生器的匹配負載；1kΩ試驗負載則體驗了發(fā)生器的一個復(fù)合負載。不同品牌的試驗發(fā)生器只有在兩種極端的負載條件下?lián)碛邢嗤匦?，在能保證在實際的抗擾度試驗中有相互可比的試驗結(jié)果。
3.2耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)
新老標(biāo)準的又一個不同點是，做電源線抗擾度試驗時所用的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。老標(biāo)準時對電源線逐根做共模抗擾度試驗；新標(biāo)準則對所有電源線路同時做共?？箶_度試驗。
為了保證在交流/直流電源端口試驗中使用的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)性能合格，光有上述基本要求是不夠的，還必須對耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的共模輸出波形進行校驗。
校驗時發(fā)生器的輸出電壓設(shè)置為4kV。發(fā)生器的輸出接耦/去耦網(wǎng)絡(luò)的輸入；耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的所有輸出斷路，并接一個單一的50Ω負載，記錄峰值電壓和波形。
3.3實驗室型式試驗的配置
仔細觀察老標(biāo)準與新標(biāo)準里的實驗室試驗配置圖，最大的不同出現(xiàn)在圖的左側(cè)，關(guān)于臺式設(shè)備的試驗配置。
老標(biāo)準中的試驗配置
新標(biāo)準中的試驗配置
按照新標(biāo)準的配置，無論是地面安裝設(shè)備、臺式設(shè)備、以及其他結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備，都將放置在一塊參考接地板的上方。被試設(shè)備與參考接地板之間用0.1m±0.01m厚的絕緣支撐物隔開。由于配置方式相同，對地面設(shè)備和臺式設(shè)備的實際嚴酷程度也是相同的，不存在哪一種配置方式更加容易通過的問題。
新標(biāo)準規(guī)定，凡是安裝在天花板上或是墻壁上的設(shè)備都按臺式設(shè)備來做試驗；試驗發(fā)生器和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)也直接放在參考接地板上，并與參考接地板保持低阻抗連接。
新標(biāo)準規(guī)定，在耦合裝置與被試設(shè)備之間的電源線和信號線長度為0.5m±0.05m（而不是老標(biāo)準規(guī)定的≦1m）。新標(biāo)準還規(guī)定與被試設(shè)備連接的所有電纜要放在離地高度為0.1m的絕緣支架上。
4浪涌抗擾度試驗
電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)EUT端口的電壓波形和電流波形的要求
新老標(biāo)準的一個重要差異是新版標(biāo)準提出了要在耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的受試設(shè)備端口上來校驗電壓和電流波形（包括波形的前沿和半峰值持續(xù)時間）。
網(wǎng)絡(luò)中的去耦電感由浪涌發(fā)生器的制造商選擇，但是額定電流下，耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)在被試設(shè)備端口處的電源壓降應(yīng)小于10%。同時，去耦電感的值不應(yīng)超過1.5mH.。
為了避免在耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)上有不希望發(fā)生的電壓降落現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)電流>25A時，耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)中的去耦元件的值要適當(dāng)減小，因此，開路電壓波形的半峰值時間允許按照表1和表2中所規(guī)定的參數(shù)進行變化：
新版標(biāo)準中表1和表2給出了波形變化的允許范圍，這實際規(guī)范了不同品牌儀器在制作上的誤差；同時也增加浪涌試驗時試驗結(jié)果的可比性和重復(fù)性。新版標(biāo)準中的這些內(nèi)容對儀器制造商和儀器的操作人員來說都是至關(guān)重要的，它增加了這個標(biāo)準的可操作性。
4.2用在互連線試驗上的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)
[page]4.3 針對高速通信線路的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)
由于結(jié)構(gòu)的原因，大多數(shù)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)在頻率達到100kHz時使用時受到限制的，在這種情況下，將沒有合適的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)可供商業(yè)應(yīng)用。為此，在新版標(biāo)準里提出卸掉通信線（對于某些被試品，可考慮在數(shù)據(jù)或通信線卸掉的時候，在被試品的內(nèi)部關(guān)斷或松開通信端口），不經(jīng)過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，而將浪涌直接加到通信端口上（在這個試驗中，被試品的功能應(yīng)當(dāng)保持。如有可能，在整個試驗期間，應(yīng)考慮采取必要措施以保持數(shù)據(jù)或通信端口的有效性）。當(dāng)浪涌試驗結(jié)束后，在重新測試該端口的功能。
4.4 新版標(biāo)準中增加了對金屬接地參考平板的要求
新版標(biāo)準提到了參考接地板的使用：對高頻工作的情況（通常是采用氣體放電管來進行耦合），以及隨后用來對屏蔽線進行試驗情況是必須要采用參考接地板的。另外，在正式安裝使用時必須要連接參考地的被試品，它們在做浪涌試驗時就一定要連接參考接地板。
4.5對于標(biāo)準執(zhí)行中可能遇到的幾個問題
① 安裝浪涌測試設(shè)備后實驗室的跳閘問題
圖示為電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，由于浪涌波的脈沖比較寬（含有的諧波成分比較低），浪涌波發(fā)生器的內(nèi)阻又比較低，因此對浪涌波的去耦比較困難，標(biāo)準上規(guī)定去耦電感為1.5mH（電流小于25A時），對去耦電容沒有規(guī)定，僅指出殘余電壓小于所施電壓的15%，通過這一要求來選擇去耦電容，因此實際浪涌測試設(shè)備的共模和差模去耦電容都選得比較大，例如選用10μF/1000V，這樣每一條線（火線）-地之間的泄漏電流（對于220V線路來說）要達到0.67A，遠大于實驗室漏電開關(guān)的動作電流（一般是30mA），所以浪涌設(shè)備引起實驗室跳閘時必然的。
解決這一問題的辦法：
（1）拆掉實驗室的漏電開關(guān)。優(yōu)點：簡單、易行。缺點：安全性差。
（2）在浪涌設(shè)備的電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)之前加裝一臺隔離變壓器。優(yōu)點：安全性好。缺點：代價較高，特別是當(dāng)被試設(shè)備的容量較大時，為了匹配隔離變壓器與負載的電流容量，應(yīng)當(dāng)選用容量較大的隔離變壓器，需要花費較大的設(shè)備費用和實驗室場地。
隔離變壓器的最小容量要能提供電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的去耦電容的泄漏電流，否則將使隔離變壓器遭受損壞。
② 浪涌輸出與浪涌發(fā)生器機殼浮空的問題
③ 殼絕緣設(shè)備的共模試驗問題
經(jīng)常見到客戶在電度表等外殼絕緣設(shè)備進行共模試驗時，不知道浪涌發(fā)生器的com端子接在哪里，通常會把com端子接到外殼的外露金屬零件上，由于這個零件與內(nèi)部線路幾乎沒有聯(lián)系，因此共模試驗等于沒做，起不到任何作用。
對此，建議用戶在做這類設(shè)備的浪涌共模試驗時，應(yīng)當(dāng)加一塊參考接地板，利用設(shè)備內(nèi)部線路與參考接地板之間的分布電容（在被試設(shè)備與參考接地板之間要墊適當(dāng)厚度的絕緣支座，例如10cm的絕緣支座，保證分布電容的值適當(dāng)，且不變），以便將共模電壓加到所施線路上。
④ DC/DC變換器的浪涌試驗問題
有客戶反映，浪涌發(fā)生器不能用在DC/DC變換器上做DC/DC變換器的浪涌抗擾度試驗。研究其原因，DC/DC變換器也是開關(guān)電源中的一種，只不過它是用直流電源作為其工作電源，DC/DC變換器的工作仍是開關(guān)狀態(tài)，工作頻率為幾十kHz到幾百kHz，這就是說它對工作電源的吸收電流是一個個脈沖電流，脈沖電流的工作頻率同樣是幾十kHz到幾百kHz。我們知道DC/DC變換器如果要做直流電源輸入端的浪涌試驗，必然要在直流電源和DC/DC變換器之間插入電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，通過電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，浪涌發(fā)生器將浪涌迭加到直流電源的是輸入線上。由于電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的去耦作用主要是由電感完成的，因此DC/DC變換器的電源輸入電流要在耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的電感上形成壓降，這樣直流電源的輸出電壓就不能全部作用到DC/DC變換器的電源輸入端，而要扣除因DC/DC變換器的電源輸入電流要電感上產(chǎn)生的壓降，亦即輸入電壓要低于直流電源的輸出電壓。而且DC./DC變換器的工作頻率越高，DC/DC變換器的吸收電流越大，形成的壓降也越大，造成DC/DC變換器不能正常工作。
⑤ 被試設(shè)備的浪涌電壓施加問題
考慮到被試設(shè)備電壓-電流轉(zhuǎn)換特性的非線性，試驗電壓應(yīng)該逐步增加到產(chǎn)品標(biāo)準的規(guī)定值，以避免試驗中可能出現(xiàn)的假象（在高試驗電壓時，因為被試設(shè)備中可能有某個薄弱器件擊穿，旁路了試驗電壓，致使試驗得以通過。然而在低試驗電壓時，由于薄弱器件未被擊穿，因此試驗電壓以全電壓加在試驗設(shè)備上，反而使試驗無法通過）。
浪涌要加在線-線或線-地之間。如果要進行的是線-地試驗，且無特殊規(guī)定，則試驗電壓要依次加在每一根線與地之間。但要注意，有時出現(xiàn)標(biāo)準要求將干擾同時疊加在2根或多根線對地的情況，這時脈沖的持續(xù)。時間允許減小一些。由于試驗可能是破壞性的，所以決不要使試驗電壓超過規(guī)定值。
5電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗
① 在新版標(biāo)準6.1.1節(jié)的發(fā)生器性能和特性中要求試驗發(fā)生器有恒定的功率輸出能力，且對發(fā)生器還要求有最大峰值沖擊電流的能力。
② 普通的電壓跌落設(shè)備原則上可適用于50Hz和60Hz的電源，因為普通的電壓跌落設(shè)備都是通過正弦電壓波形過零檢測，然后檢查過零脈沖的個數(shù)來實現(xiàn)周波計數(shù)的。
③ 如果要做60Hz的電壓跌落，最好要用60Hz的發(fā)電機來進行試驗。
