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EMC 预测试入门:传导发射与辐射发射

电磁兼容的问题,往往是在产品快要上市、准备送检的时候才被发现,而那时整改的时间和成本都已经很紧张。EMC 预测试的作用,就是在正式检测之前,用相对简单的条件先把底摸一遍,看看设备在发射和抗扰上有没有明显的问题。本文聚焦发射这一侧,讲清楚传导发射与辐射发射这两条噪声离开设备的路径,以及在预测试中分别怎么看、怎么下手。

图1 技术人员在仪器工作台前操作测量仪器的场景
图1 技术人员在仪器工作台前操作测量仪器的场景

一、什么是 EMC 预测试

EMC 是电磁兼容的简称,包含两个方面:一方面,设备不应对外界产生过量的电磁骚扰,这叫发射;另一方面,设备在外部电磁环境中应能正常工作,这叫抗扰。正式认证要在具备资质的实验室按标准完成,费用与周期都不低。

预测试就是在正式检测之前,用相对简单的条件先摸一遍底,看看设备在发射和抗扰方面有没有明显的问题。它不追求与认证结果完全一致,目标是把风险提前暴露,把明显的问题先解决掉,减少正式测试反复整改的时间与成本。

预测试既可以在研发阶段做,也可以在样机阶段做。越早做,发现的布置问题和器件选型问题越容易改,代价也越小。常见的教训是把电磁兼容留到最后才考虑,结果一次整改就要牵动结构、电路和软件多个环节,进度被拖得很长。

需要强调的是,预测试不能替代正式检测。场地、设备与方法上的差异都会让结果有出入,下文所说的做法,主要用于发现问题和比较改进效果,最终的合格判定仍要交给有资质的实验室。

二、传导发射与辐射发射:噪声离开设备的两条路径

发射测试关心的核心问题是:设备产生的电磁噪声,是通过什么路径跑到外面去的。最常见的两条路径,一条沿导线走,叫传导发射;一条经由空间传播,叫辐射发射。

传导发射沿电源线、信号线等导体传播,通常在较低的频段占主导;辐射发射以电磁波的形式传播,在较高频段更为明显。两者在频率上有一段衔接,分界并不是绝对的。

区分这两条路径的意义在于:抑制手段不同。治理传导往往从滤波和接地入手,治理辐射则常常从线缆、屏蔽与结构入手。判断清楚以哪一条为主,才能少走弯路。

三、为什么频率越高越容易辐射出去

一个导体在电磁意义上能不能有效地把能量辐射出去,与它的长度相对于波长的比例有关。频率越高,波长越短,同样长度的导线相对于波长就越长,辐射效率也就越高。

这就解释了为什么电源线、信号线往往成为辐射发射的天线。低频时它们主要表现为传导路径,频率升高以后,同一根线同时成了高效的辐射体。

因此,缩短线缆长度、减小回路面积、把线缆贴近参考地平面,往往能直接降低辐射发射。这些做法成本低、见效快,是预测试阶段值得优先尝试的。

图2 传导发射与辐射发射的频率范围示意
图2 传导发射与辐射发射的频率范围示意

四、传导发射怎么测

传导发射测试的基本做法,是在设备的电源输入线上串入一个线路阻抗稳定网络。这个网络有两个作用:一是给设备提供一个稳定、可重复的阻抗环境,二是把设备产生的骚扰电压耦合出来送给接收机读取。

接收机按标准规定的带宽和检波方式读数,常见的有准峰值与平均值。探头、电缆、接地方式都会影响读数,所以测试布置必须严格按标准来做,随意摆放会得到没有可比性的数据。

对于多路供电的设备,通常要分别测量每一路电源线。带有信号线或控制线的场合,还要按标准判断是否需要对信号线也做类似的测量。

对电源线以外的接口,例如扩展口、通信口,是否需要测量以及怎么测量,要看标准对端口类型的定义。不少设备恰恰是在这些接口上出问题,因为它们的滤波和接地往往不如电源入口做得充分。

五、共模与差模:传导噪声的两种走法

传导噪声在电源线上有两种基本形式。差模噪声来回于两根供电线之间,电流一去一回;共模噪声则同时沿两根线同方向流出,再经由地返回。两者的等效回路不同,抑制方法也不同。

差模噪声通常用跨接在两根线之间的电容和串联电感来抑制;共模噪声则更依赖共模电感与对地的旁路。实际测量得到的往往是两者的混合,需要先判断以哪一种为主,再针对性处理。

在预测试阶段,如果能在电源线上分离出共模与差模成分,就能更快地判断问题出在开关器件、整流滤波还是接地结构上,从而减少反复试错。

六、辐射发射怎么测

辐射发射用天线接收设备发出的电磁波。测试规定了天线与设备之间的距离、天线的高度与极化方向,以及转台的转动方式,目的是在多个角度上找到发射最强的方向。

场地的质量直接影响结果。开阔场与电波暗室各有适用场合,无论用哪一种,背景噪声都要明显低于被测设备,否则测到的可能是环境里的广播信号,而不是设备本身产生的骚扰。

在预测试中,如果条件有限,也可以先做相对比较:在相同布置下比较整改前后的读数变化,判断某个措施是否有效,而不必纠结于绝对数值是否与限值完全对应。

天线的选择也有讲究。不同频段要用不同类型的接收天线,天线的高度要按标准扫描或固定在规定值。天线方向与被测设备的关系同样是变量,测量时要按规定的极化和高度逐一确认,不能只在一个姿态下读数。

图3 传导发射与辐射发射的对比
图3 传导发射与辐射发射的对比

七、预测试现场最容易出的几个问题

第一是布置不一致。电缆的走向、长度、是否捆扎、与参考地的距离,都会显著影响读数。整改前后如果布置变了,就分不清读数的变化究竟是整改带来的还是布置带来的。

第二是背景噪声没有先测。动手之前应先测一遍不加电的背景,确认环境本身没有超标的信号,否则后面的数据都不可信。

第三是忽略辅助设备。被测设备旁边的电源、控制器、夹具本身也可能是噪声源,遇到明显超标时,要先把这些因素排除掉。

第四是只盯一个频点。发射往往不是单个频点的问题,而是一组谐波,只看一个点容易误判整改效果。

八、针对结果怎么下手

传导方面,先看滤波器的安装位置是否靠近设备入口,接地是否就近、低阻抗;再看共模与差模的构成,选择相应的器件。接地做不好时,滤波器本身也可能成为噪声的旁路,效果大打折扣。

辐射方面,优先缩短线缆、减小环路,检查屏蔽层是否可靠搭接、搭接点是否足够多。机箱上的缝隙和开孔相当于天线,长缝比小孔的泄漏更严重,必要时加导电衬垫,或调整开孔的形式与尺寸。

无论处理哪一类,都建议一次只改一个变量,改完立刻复测比较,这样才能知道究竟是哪个措施起了作用,避免几项一起改、结果说不清。

九、预测试需要哪些仪器

核心是接收机,或者带有相应选件的频谱分析仪,用于读取骚扰电压或场强;配合线路阻抗稳定网络测量传导,配合天线测量辐射。近场探头可以在排查阶段帮助定位噪声来源,但它得到的是相对值,不能直接当作合格判据。

此外还需要一些基础仪器辅助定位,例如用示波器观察开关波形与反射,用电流探头观察线缆上的共模电流。把这些仪器组合起来,才能从只看到哪里超标,走到分析为什么超标。

仪器的校准状态同样重要。读数是否可信,依赖仪器在有效期内且方法正确;预测试虽然不要求与认证完全一致,但基本的量值准确仍然必要。

如果条件允许,准备一套固定的测试工装与线缆,并在每次测量时复现同样的布置,会比每次临时搭建可靠得多。布置的可复现性往往比绝对数值更重要,特别是在用同一套设备做前后对比的时候。

十、小结

EMC 预测试的价值,不在于得到一个正式结论,而在于把问题提前暴露、让整改变得有的放矢。传导看导线上的电压,辐射看空间里的场强,两条路径对应不同的抑制思路。

把布置固定下来、把背景先摸清楚、一次只改一个变量,是做好预测试最实在的三条经验。至于最终的合格判定,仍然要交给具备资质的实验室按标准完成。

图4 实验室中用于电磁与电气测量的仪器场景
图4 实验室中用于电磁与电气测量的仪器场景

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