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電磁兼容測試有哪些內容故障如何排除詳細方法說明

-2019-09-23-

EMC是開關電源模塊設備或系統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC測試包括兩大方面內容:對其向外界發送的電磁騷擾強度進行測試,以便確認是否符合有關標準規定的限制值要求;對其在規定電磁騷擾強度的MTD2002電磁環境條件下進行敏感度測試,以便確認是否符合有關標準規定的抗擾度要求。對于從事單片機應用系統設計的工程技術人員來說,掌握一定的EMC測試技術是十分必要的。

電磁兼容包括MTD2002電磁干擾(EMI)和電磁敏感性(EMS)兩部分。由于電器產品在使用時對其它電器有電磁干擾,或受到其它電器的電磁干擾,它不僅關系到產品工作的可靠性和安全性,還可能影響其它開關電源模塊電器的正常工作,甚至導致安全危險。

1、單片機系統EMC測試

(1)測試環境

為了保證測試結果的準確和可靠性,電磁兼容性測量對測試環境有較高的要求,測量場地有室外開闊場地、屏蔽室或電波暗室等。

(2)測試設備

電磁兼容測量設備分為兩類:一類是電磁干擾測量設備,設備接上適當的傳感器,就可以進行電磁干擾的測量;另一類是在開關電源模塊電磁敏感度測量,MTD2002設備模擬不同干擾源,通過適當的耦合/去耦網絡、傳感器或天線,施加于各類被測設備,用作敏感度或干擾度測量。

(3)測量方法

電磁兼容性測試依據標準的不同,有許多種測量方法,但歸納起來可分為4類;傳導發射測試、輻射發射測試、傳導敏感度(抗擾度)測試和輻射敏感度(抗擾度)測試。

(4)測試診斷步驟

1給出了一個設備或系統的電磁干擾發射與故障分析步驟。按照這個步驟進行,可以提高測試診斷的效率。

(5)測試準備

①試驗場地條件:EMC測試實驗室為電波半暗室和屏蔽室。前者用于輻射發射和輻射敏感測試,后者用于傳導發射和傳導敏感度測試。

②環境電平要求:傳導和輻射的電磁環境電平遠低于標準規定的極限值,一般使開關電源模塊環境電平至少低于極限值6dB。

③試驗桌。

④測量設備和被測設備的隔離。

⑤敏感性判別準則:一般由被測方提供,并實話監視和判別,以測量和觀察的方式確定性能降低的程度。

⑥被測設備的放置:為保證實驗的重復性,對被測設備的放置方式通常有具體的規定。

(6)測試種類

傳導發射測試、輻射發送測試、傳導抗擾度測試、輻射抗擾度測試。

(7)常用測量儀

電磁干擾(EMI)和電磁敏感度(EMS)測試,需要用到許多電子儀器,如頻譜分析儀、電磁場干擾測量儀、信號源、功能放大器示波器等。由于EMC測試頻率很寬(20Hz~40GHz)、幅度很大(μV級至kW級)、模式很多(FM、AM等)、姿態很多(平放、斜放等),因此正確地使用電子儀器非常重要。測量電磁干擾的合適儀器是頻譜分析儀。頻譜分析儀是一種將電壓幅度隨頻率變化的規律顯示出來的儀器,它顯示的波形稱為頻譜。頻譜分析儀克服了示波器在測量電磁干擾中的缺點,能夠精確測量各個MTD2002頻率上的干擾強度,用頻譜分析儀可以直接顯示出信號的各個頻譜分量。

在解決電磁干擾問題時,重要的一個問題是判斷干擾的來源。只有準確將干擾源定位后,才能夠提出解決干擾的措施。根據信號的頻率來確定干擾源泉是簡單的方法,因為在信號的所有特征中,頻率特征是穩定的,并且電路設計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此,只要知道了干擾信號的頻率,就能夠推測出干擾是哪個部位產生的。對于電磁干擾信號,由于其幅度往往遠小于正常工作信號,用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單的。由于頻譜分析儀的開關電源模塊中頻帶寬較窄,因此能夠將與干擾信號頻率不同的信號濾除掉,精確地測量出干擾信號頻率,從而判斷產生干擾信號的電路。

2、電磁兼容故障排除技術

(1)傳導型問題的解決

①通過串聯一個高阻抗來減少EMI電流

②通過并聯一個低阻抗EMI電流短路到地或引到其它回路導體。

③通過電流隔離裝置切斷EMI電流。

④通過其自身作用來抑制EMI電流。

(2)電磁兼容的容性解決方案

一種常見的現象是不把濾波電容的一側看成直接與一個分離的阻抗相連,而看成與傳輸線相連。典型的情況是,當一條MTD2002輸入輸出線的長度達到或超過1/4波長時,該傳輸線變“長”。實際可以用下式近似表示這種變化:

l≥55/f式中:l單元為m,f單位為MHz。這個公式考慮了平均傳播速度,它是開關電源模塊自由空間理論的0.75倍。

a. 電介質材料及容差

電磁干擾濾波使用的大部分電容是無極性電容。

b. 差模(線到線)濾波電容性電容。

c. 共模(線到地/機殼)濾波電容

共模(CM)去耦通常使用小電容(10~100nF)。小電容可以將不期望的高頻電流在其進入敏感電路之前或在其離MTD2002噪聲電路較遠時就將其短路到機殼上去。為了得到良好的高頻衰減電路,減小或消除寄生電感是關鍵之所在。因此有必要使用超短導線,尤其希望使用無引線元器件。

(3)感性、串聯損耗電磁兼容解決方案

就電容而言,Zs和Z1如果不是純電阻的話,在計算頻率時,要使用它們的實際值。電容器串聯在電源或信號電路時,必須滿足:

①流過的工作電流不應該引起電感過熱或過大的有過之而無不及降;

②流過的電流不能引起電感磁飽和,尤其是對高導磁材料是毫無疑問的。

解決方案有以下幾種:

磁芯材料;

鐵氧體和加載鐵氧體的電纜;

電感、差模和共模;

接地扼流圈;

組合式電感電容元件。

(4)輻射型問題的解決

在很多情況下,輻射電磁干擾問題可能在傳導階段產生并被排除,還有些解決方案是可以抑制干擾裝置在開關電源模塊輻射傳輸通道上,就像場屏蔽那樣工作。根據屏蔽理論,這種屏蔽的效果主要取決于電磁干擾源的頻率、與屏蔽裝置之間的距離以及電磁干擾場的特性——電場、磁場或者平面波。

①導體帶。使用銅或鋁帶要吧簡單快速地建立一種直接的屏蔽和低阻連連接或總線。它們對于臨時的解決方案和相對永久的解決方案來說是很方便的。厚度在0.035~0.1mm之間,并且背面帶有導電黏合劑以便安裝。如果使用銅導電帶,其通過電阻約20mΩ/cm2。應用場合:電氣屏蔽罩;發生故障時泄露點定位;作為一個應急的解決方案,將MTD2002塑料連接器變成金屬的、屏蔽普通的扁平電纜等。

②網狀屏蔽帶和拉鏈式外套。涂錫的鋼網帶:主要用來安裝在一個已經裝配好的電費護套上作為一種易安裝的繃帶型的屏蔽罩。為了降低電費的磁場輻射或敏感問題,鋼網帶是一種有效的解決方案。

拉鏈式屏蔽外套:當有明顯跡象表明電費是主要的引起EMI耦合的原因時使用。

③EMI密封墊。應用場合:當下述條件存在,并且需要真正的SE時,EMI密封墊是最常用的解決輻射問題、敏感問題、ESD、電磁脈沖和TEMPEST問題的方法。

已經把機箱泄漏確認為主要的輻射路徑。

嚙合面不夠光滑、平整或不夠硬、本身無法提供良好的連接接觸。

④窗口和通風板的EMI屏蔽:適合對孔徑的屏蔽。

平面波的大概模型是:

SE≈104(-20-lgl)-20lgf

式中,SE單位為dB;l為網格或網孔的尺寸,單位為mm;f單位為MHz。當然,隨著頻率的下降,網孔的MTD2002屏蔽效率SE的上限受限于金屬本身。在近區場,對H場的屏蔽,其屏蔽功率SHE不受頻率的影響,可由下式近似得出:

SEH≈10lg(πr/l)

其中,r為源到屏蔽罩之間的距離,l為網孔尺寸,兩者單位均為mm。

⑤導電涂料:應用于在系統的塑料外殼建立EMI屏蔽罩、發送現有普通的或惡化的導電表面的屏蔽效能SE、防止ESD或靜電積累現象、增大結合面或密封墊片的接觸面積。

⑥導電箔:鋁是一種良導體,在10MHz以下沒有吸收損耗,但它對于電場的任何頻率都有較好的反射損耗。應用場合請參閱有關資料。

⑦導電布:可應用于任何100kHz到GHz級頻率范圍需要達到30~30dB衰減的立體屏蔽場合中。

3、電磁兼容性新器件新材料的應用

3.1 電源線濾波器

電源線濾波器安裝在電源線與電子設備之間,用于開關電源模塊擬制電能傳輸中寄生的電磁干擾,對提高設備的可靠性有重要作用。濾波器允許一些頻率通過,而對其它頻率的成份加以擬制。根據干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗等參數及負載特性的要求,適當選擇濾波器。

3.2 信號阻隔變壓器

脈沖型(數字或晶閘管門驅動)或模擬隔離式變壓器與交流電源中使用的隔離變壓器與交流電源中使用的MTD2002隔離變壓器的原理相同,但傳輸頻帶卻完全不同,有用信號處理對變壓器的一些性能要求(例如失真、3dB帶寬、損耗、對稱性、阻抗、脈沖延時等)非常嚴格。這種變壓器屬于寬帶設備,高頻率與低頻率的比值fMAX/fMIN達到數十倍。通過在發送端或接收端切斷共模地環路,隔離變壓器在不改變差模信號的同時擬制共模噪聲。由于共模電壓是加在變壓器一次側、二次側的兩邊,這種隔離器必須具有較高的擊穿電壓:典型值為1.5kV,某些場合則高達10kV。

信號變壓器的主要優點是它的簡單、耐用、持久和線性,而且價格適中。當頻率增加時,其電磁兼容性能下降。

應用場合:

當需要環路隔離時,其頻率范圍從直流到幾十MHz;

在低噪聲和低失真條件下傳輸模擬小信號(≤10mV)時,信號線上可能存在幾V至幾kV的共模電壓;

在晶閘管應用電路中,將觸發器驅動電路與共模電壓隔離;

作為一個現場解決方案,可用來切斷一個地環路和搭建一個平衡連接或非平衡連接傳輸線路。

3.3 電源隔離變壓器、電源穩壓器和不間斷電源

(1)電源隔離變壓器

普通的隔離變壓器可以在低頻范圍切斷開關電源模塊主電源線的接地環路。當頻率升高時,MTD2002電氣隔離由于一次側間寄存電容C1-2的存在而下降。為了減少寄生電容的影響,可以使用落系、螺旋狀、分立式的一次和二次繞組,這樣可以將寄生電容減小為原為的1/3~/10。

(2)法拉第屏蔽變壓器

在一次和二次線圈之間包著一層鋁箔或銅箔,并使之不與線圈接觸以免形成短路。法拉第屏蔽或靜電屏蔽層接地。應用范圍如下:

應用于入室電源或電源分配箱上,作為簡單1:1的隔離變壓器,隔離50/60Hz的地環路;

在同一系統中的某一部分重新產生對地保持中性的交流電源,與總電源分配點保持電氣隔離;

應用于當系統中存在很大的對地漏電電流時,防止過渡頻繁觸發系統中的接地故障檢測器;

可以與電源線濾波器結合使用,電源線濾波器的衰減特性僅開始于幾十或幾百kHz以上。

3.4 暫態抑制器

變阻器和固態變阻器(transzorbs)是具有非線性V-I特性曲線的元件,可以作為穩壓元件。當電壓通過該器件后就被箝位在等于或大于擊穿電壓VBR的電壓值上。該器件的響應速度快,但在處理的能量值上有一定限制。

3.5 搭接、接地連續性和減少RF阻抗器件

①接地編織層或開關電源模塊金屬帶寬而扁的導線比同樣橫截而積的圓導線具有較小的電感。作為優先的選擇參考,可以使用:

扁平金屬帶;

帶有扁平接地端子的扁平編織層;

圓形、多股絞線的跳線。

②印制電路板(PCB)接地墊片。為了建立一個更直接的低阻擾電磁干擾電流接收器,需要使用接地墊片。通常在樹脂型墊片中間有一個彈簧夾,用以在一邊的OV銅板上和加一邊PCB的安裝底盤上提供較強的可靠壓力。由于彈簧是銅錫材料制成的,電氣接觸性能良好,接觸電阻為mΩ數量級。

③金屬電費線槽及其肥共的金屬編織層。金屬電纜托架、公共導線和金屬編織層的作用是傳輸幾個相互連接的MTD2002設備之間的部分接地EMI環流。可以把它看作是不同底盤或地線之間的共模短路通道,但實際上除了直流或交流50/60Hz,這種方法不能應用于較長的距離;可用于計算機室、工廠車間或其它有許多非屏蔽電費的大型場地,不可能或很難將它們換成屏蔽電費或裝入管道。

④地阻抗減小,墊高的金屬底板接地襯墊。為了減少傳導瞬態干擾的輸入和周圍環境射頻場對系統的影響,可以通過設置室內參考接地板或接地網絡加以改善。通過這種方法,可以很容易地在高達幾百MHz的頻率上達到20dB的改善,也可以減少在同一個房間里的不同設備之間的地電位偏差。

另一種開關電源模塊技術:在室內,建議安裝抬高的金屬底板(RMF),利用地磚的筋條作為接地參考柵格;把把塑料減震墊片換成導電減震墊片,就可以建立很好的、持久的電氣連接。

⑤臨時接地板,這種后各解決方案是IBM公司的安裝規劃工程師們使用的,即安裝一塊銅板或電鍍鋼板。對于那些沒有“實際地”的場合,由于臨時接地板與建筑特結構之間有較大的電容(300~1000pF),這給電磁干擾濾波器、瞬態保護器和隔離變壓器的法拉第屏蔽層提供了有較的吸收裝置。在高頻端,這種虛地比長的、綠的或黃綠的MTD2002接地導線更有效。

 


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