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电磁兼容测试:传导测试
发布时间: 2022-09-13
浏览次数: 1602
进行电磁兼容测试需要相对专业的设备和技术,并且对于大多数公司来说,进行该项测试的费用也是相当高昂的。但是一般情况下大多数产品是需要通过专业的检测机构进行电磁兼容测试认证,才能完成一个完整的产品开发周期,从而被客户认可。 遗憾的是,很多产品都难以一次性通过电磁兼容测试。测试失败以后,工程师们需要解决在兼容测试中出现的问题的同时花费高额费用进行再次测试,这不但增加了成本而且延迟了产品的发布时间,这些对于公司来说都是重大的损失。 幸而,我们可以通过一些简易的设备和技术来帮助减少这种时间成本上的损失:预兼容测
引言
进行电磁兼容测试需要相对专业的设备和技术,并且对于大多数公司来说,进行该项测试的费用也是相当高昂的。但是一般情况下大多数产品是需要通过专业的检测机构进行电磁兼容测试认证,才能完成一个完整的产品开发周期,从而被客户认可。
遗憾的是,很多产品都难以一次性通过电磁兼容测试。测试失败以后,工程师们需要解决在兼容测试中出现的问题的同时花费高额费用进行再次测试,这不但增加了成本而且延迟了产品的发布时间,这些对于公司来说都是重大的损失。
幸而,我们可以通过一些简易的设备和技术来帮助减少这种时间成本上的损失:预兼容测试技术可以找出并解决设计中的问题,从而免去多次使用昂贵测试设备的经济负担。
在这篇文章中,我们将要介绍如何用预兼容测试去进行传导测试。所涉及的相关技术可以减少重复进行兼容测试的次数,从而节省时间和金钱,同时可以使产品设计者对产品电磁设计方面的相关知识更了解,这些知识和经验也对设计者将来的相关产品设计大有裨益。
预兼容测试可以帮助你找到并解决可能阻碍你通过兼容测试的问题,但必须要知道,在大多数实验室环境下,预兼容测试并不能完全替代兼容测试!

传导干扰
 
传导干扰测试包括测量由任何连接在一起的线缆(包括电源线,信号线或者数据线)带来的射频干扰。大多数制定的电磁测量标准都主要关注测量市电交流电源线,因为电源线缆上过多的非供电能量会导致该相同电网下设备间的相互影响,尤其是对于调幅无线电信号或者是其它广播频段的影响尤为严重。
传导干扰测试需要一台频谱仪(如图1),两块做地使用的接合金属板,和一个线路阻抗稳定网络(LISN)。LISN为待测设备(DUT)提供电源,并且把待测设备射频信号通过电源线或信号线向外发射的干扰提取到频谱仪来测量。我们会加上瞬态保护以及衰减来减少待测大信号可能对频谱仪的损坏。

△图1 频率范围为2.1GHz的频谱仪


△图2 所示为一个典型的传导干扰测量的模型。
图2 典型的传导干扰配置,用衰减器和瞬态抑制器来保护频谱仪的输入端(DUT指被测设备)。
搭建一个传导干扰试验模拟实验室相对经济可行,而且这种设备对环境中的其他射频信号是不敏感的,这使得传导预兼容测试的结果数据比辐射预兼容测试的结果数据要“干净准确”得多。
设备清单
 
频谱仪/EMI接收机:测量相对于频率的射频功率。频谱仪的最大输入频率不低于1GHz,DNAL最高为-100dBm(-40dBuV),至少10KHz的最小分辨率带宽(RBW)
瞬态抑制器(选配):频谱仪是敏感的射频能量测量设备,瞬态抑制器可以限制信号中瞬态毛刺的能量,避免造成频谱仪输入端口被击穿损坏。
衰减器(选配):对于可能存在的连续能量输入,使用几个3dB或10dB衰减器,以保护频谱仪的输入端免受意外的大功率信号损坏。
LISN把传导辐射从待测设备的电源线中耦合到频谱仪或者EMI接收机上,需要选择符合测试标准和电气需求的LISN。
注:通读你的LISN用户手册!有些设计可能存在一些危险电压,需要对设备安全操作!
水平地平面:导电金属片的尺寸至少要比被测设备外周的宽多15厘米,长度比其长40厘米,以适应从被测设备到垂直接地平面的间距。
垂直地平面:导电金属片的尺寸大于被测设备的外周宽多15厘米,长度长80厘米,以适应从被测设备到水平接地平面的间距,接地平面应使用低阻抗(例如导电带)沿着两个平面对接的地方互相连接。
LISN连接片:短金属导电片将LISN接合/接地到水平接地层,优先选择低阻抗(可能是薄的金属带)的导电片,尽量不要使用导线连接。
不导电台面:比待测设备大一点。可以是木制的,塑料制的或者是玻璃纤维的,一般不建议选择金属制的。
环境设置
 
  • 把待测设备放到一个不导电台面的中间位置。
  • 将水平接地平面放置在被测设备下80厘米处,并正好位于被测设备正下方。
  • 将垂直接地层放置在距离被测设备中心40厘米的中心。并连接到水平地平面。
  • 使用LISN连接片将LISN连接到水平接地层。
  • 将频谱分析仪/EMI接收机放置在距离水平接地平面/测试区域边缘几英尺处,并将其接通电源。
环境检查
 
  • 对频谱仪/EMI接收机进行上电预热。
  • 给LISN通电,但是此时不要给待测设备通电
  • 将LISN 射频输出连接到频谱分析仪的射频输入,同时加上瞬态限制器以及3dB或10dB的外部衰减器
配置频谱仪
 
  • 设置起始频率为150kHz
  • 设置截止频率为30MHz
  • 设置RBW为1MHz
  • 将检测器设置为正峰值
  • 将LISN校正数据输入频谱分析仪,并启用校正功能以确保测量的准确性
  • 许多频谱仪具有创建Limit限值模板的功能。如果你的频谱仪有这个功能,可以把感兴趣的特定限值添加到频谱仪里。这样做可以可视化地显示您测试的值是否超过限值从而简化评估
  • (选配)如果使用瞬态抑制器,请将校正数据输入频谱仪,并启用校正功能以确保测量的准确性
  • (选配)如果使用外部衰减器,请将校正数据输入分析仪,并启用校正功能以确保测量的准确性
  • (选配)一些EMC限制标准的单位是dBuV和频率对数。大多数的频谱仪允许设置单位为dBuV,水平标度单位为频率对数。
  • 如果没有输入连接,请观察频谱分析仪上的迹线。它应该是平滑而且非常低的功率值。你也可以将RBW减少至10kHz或者直接关闭输出。这时的显示即为仪器的本底噪声。此时,我们可以把以上述步骤频谱仪上所显示的图片都保存下来,以供之后参考。
下面的图3展示了如上所述配置的频谱分析仪的开路频谱:


△图3 频谱分析仪的开路的本底噪声。注意dBuV幅度单位,对数频率缩放和蓝色限制线。这些功能使扫描评估更方便
第一次扫描:
  • 断开LISN输出与频谱分析仪输入的连接
  • 将电源线从被测设备连接到LISN。注意不要缠绕电源线。 确保它平放,并且不经过被测设备和水平地平面之间
  • 给被测设备上电
  • 再次把LISN的射频输出连接到频谱仪的射频输出
注:这些步骤给敏感的射频前端增加了一层保护。在这种情况下,对于一些具有可以减小抑制特点的LISN,这些步骤就是可用的。
  • 观察扫描结果并且标注任何3dB以内或者是超过限值的峰值。这些都是问题可能发生的区域。
注:你很有必要把频谱仪所测结果以及实验设置,仪器设置等任何与被测设备相关信息保存下来,无论是通过频谱仪的屏幕截屏功能还是用照相机。
如下图4所示一个峰值扫描失败的结果。


△图4 初步扫描显示超过B级限度的传导干扰
成功通过扫描和总结:
上面阐述的第一次扫描,是为了给寻找潜在干扰能量提供一个比较好的参考。但是,频谱仪的参数设置可以与大多数规格书中标示的设置不同,我们建议对频谱仪进行如下设置:RBW = 10kHz, Detector = Positive Peak, Span = 30MHz。这些设置可以使你尽快对问题区域进行分析,而且快速对待测设备的传导辐射能有一个基本概念。
以下是一些可进行更全面测试的参考技术方法:
1.大多数频谱仪没有预选滤波器。如果你使用一台没有预选滤波器的频谱仪,那么你得到的峰值可能是假的,这是由于带外信号混入到待测信号里面,没有预选滤波器的频谱仪有可能会得到一个错误的峰值。
你可以外加一个衰减器(3或者10dB)来测峰值。实际峰值减少的量将会和加入衰减的量一致。如果峰值减小的量比加入比衰减量大,那么这就可能是一个假峰。在你的测试结果记录上对这个假峰进行标注。你也可以使用标准的EMI滤波器或者预选器,这些操作虽然可以加快测试但同时也会带来高成本。
以下图5是一个典型的峰值测试实验,黄色的轨迹是没有使用衰减器得到的,紫色的则是给频谱仪的射频输入端外加了一个10 dB的衰减器得到的,这种情况下,峰值下降的量和所添加的衰减量是一致的。这帮助我们确认了该峰值是真峰而不是带外信号的产物。


△图5 使用频谱仪的标记功能对两次扫描结果进行标记黄色的轨迹是没有使用衰减器得到的,紫色的则是给频谱仪的射频输入端外加了一个10dB的衰减器得到的
2.一些频谱仪会选配非常接近标准兼容测试所需的工具包
  • EMI 滤波器 (根据不同频率而选择6dB或者3dB的标准)
  • RBW 带宽:200Hz, 9kHz, 或120kHz
  • 准峰值检波器
假设DUT待测电路中具有突发的RF,间歇数字通信或瞬态输出等信号,如果可能的话,那就需要使用EMI滤波器、RBW带宽,准峰值检波器再次对待测设备进行扫描。
通过将分析仪的中心频率设置为感兴趣的峰值频率去对失败的峰值进行放大观察。设置扫宽为指定标准RBW的10倍(如果指定RBW为9kHz,那么设置扫宽为90kHz或100kHz),然后开启EMI滤波功能,使用准峰值检波器,RBW设为9kHz,观察扫描结果。
准峰值检波器进行扫描时间会比较长,准峰值测量结果也不会超过正峰值,但是使用准峰值扫描可以减少设计方案所用的时间。
3.一些频谱仪有最大保持功能,可以保存下来每一次扫描频率的最高幅值。你可以通过设置一条迹线为清除写入状态来表示当前输入的射频信号,并且设置另一条迹线为最大保持状态。这些操作使你可以对比待测设备的变化和在最糟糕的情况下获得的数据或者是使用最大保持功能所保存下的数据。
4.如果可能的话,你可以使用光标工具和峰值记录表来清楚的获取峰值的频率和幅度。


△图6 使用峰值表和光标的频谱仪SSA3000X界面
 
软件
为了减少用户的EMI预兼容环境设置,收集数据和测试报告整理的繁琐步骤,EasySpectrum软件给用户提供了一个集中设置,快速存储和回调校准数据和设置限制线功能,整理扫描报告的环境。


△ 图7  由鼎阳的EasySpectrum上位机软件所获的EMI扫描报告
 
总结
 
只要是连接到交流电网上的电器产品都需要通过电磁兼容传导测试。虽然各公司可以进行自我认证,但建议由第三方实验室进行严格的兼容性合规测试。只是第三方实验室的测试花费比较高,并且时间较长。而通过使用一些简单的工具,你可以进行一些室内的预兼容测试,从而减小产品的整个生产周期,降低设计成本,减少兼容测试的次数,也为将来的产品设计积累经验。
 
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