組建一個電磁兼容實驗室的方法

產品必須符合EMC(電磁兼容)要求，歐洲規(guī)定：銷售違反電磁兼容法令(89/336/EEC)的產品將面臨高額罰款，因此，商家越來越重視產品的電磁兼容性問題，為了降低成本，要根據公司需求和規(guī)模的不同，組建一個EMC實驗室，本文介紹建設公司內部EMC測試設備的優(yōu)點、缺點和方法。

組建一個電磁兼容實驗室的最小需求取決于公司的需要和財務狀況。通常，公司將力求節(jié)省經費(在設備和人力資源兩方面)，并盡量降低風險。但有一點必須明白，世界上不會有“低成本、低風險和低EMC技術”這樣的好事。工程師必須掌握高度的技巧，才可能設計出具有相當性能的低成本設備。精度越低的產品，其風險也會越高。

在組建一個公司內部EMC實驗室時，無論其規(guī)模大小如何，都必須遵從一些最起碼的指導原則。首先，建成EMC實驗室的房間或地方必須潔凈，沒有無關物品，完全專用于EMC測量。只要條件許可，絕對需要一個由金屬制成并可靠連接大地的地參考平面；如果條件不允許(如房間不在第一層)，至少應該接保護地系統(tǒng)。實驗室內的所有金屬物體必須可靠接地或予以清除。電源系統(tǒng)必須“凈化”(在電源進入EMC實驗室之前的某處正確接入線濾波器)。

EMC測試設備的配置

1) 傳導發(fā)射測試---需要一臺頻譜分析儀(或EMI接收器)、電纜和LISN(線阻抗穩(wěn)定網絡，手工制作或外購)，如果可能的話，還應該有一個屏蔽房間(最起碼有一個屏蔽帳篷)和一張距地面80cm的絕緣桌。

2) 輻射發(fā)射測試---需要同樣的頻譜分析儀或EMI接收器、一副天線、電纜和OATS(開放區(qū)域測試場地或(半)電波暗室)；為測量干擾功率而制作或外購的吸收鉗。

3) 諧波測試(與閃爍測試)---如果要進行完全兼容測試，則需要專用設備(專用諧波分析儀)；但如果僅為評估的話，一臺便攜式諧波分析儀甚至一臺能進行FFT評估的示波器就足夠了。

4) ESD(靜電釋放)抗擾度測試---只有ESD槍才能可靠評估該項測試的結果。

5) 輻射電磁場抗擾度測試---需要與輻射發(fā)射測試類似的設備，此外還需要信號發(fā)生器、放大器、衰減器、場強儀，可能還需要一臺計算機。

6) 傳導騷擾抗擾度測試---需要的設備與1)和5)類似，另外再加上CND(異種耦合解耦網絡)，但不需要天線。

7) 電快速瞬變(EFT/Burst)抗擾度測試。

8) 浪涌抗擾度測試。

9) 電源頻率磁場抗擾度測試。

10) 電壓驟降、短時中斷與電壓變化抗擾度測試。

從7) 到10)的最后四項測試需要專用設備，這些設備可從多個廠商買到。

值得注意的是，測量設備的制造商和經銷商通常提供執(zhí)行不同測試的包裝和(或)全套裝置，以及有關如何按照最新標準執(zhí)行這些測試的指導甚至培訓。請向最近的當?shù)劁N售代表查詢設備的性能和功用。大部分情況下，設備都有根據標準需求預設的測試程序，請首先閱讀說明手冊。

公司內部預兼容測試

預兼容測試并無定義，但最起碼我們有理由假定測試必須在盡可能接近標準要求的條件下進行。

1) 傳導發(fā)射的測試

多年來，電子產品制造商遇到的最困難的問題可能就是在傳導發(fā)射方面，因此本文首先就此進行討論。傳導發(fā)射的測試裝置如圖1所示。

這個裝置是根據CISPR 22 (EN 55022)組建的，而且使用的設備必須符合CISPR 16-1的要求。該裝置主要包括：EUT(被測設備)，如果它是臺式的，必須安放在一個距地面80cm高的絕緣桌上；輔助設備(外設)，按正常使用方式連接，未使用的輸入和輸出必須正確端接，多余的電纜必須截短，或繞成直徑30~40cm的一卷。頻譜分析儀(或EMI接收器) 在0.15~30 MHz的頻率范圍內必須具有9kHz的分辨率帶寬(RBW)。測量過程在CISPR 16-1和產品規(guī)范標準中有詳細描述，如果正確執(zhí)行，其結果與第三方實驗室的測試將不會有太大出入。

2) 干擾功率測試

干擾功率測試(30~300 MHz)方法與1)有點類似，但此時信號將來自吸收鉗(而非LISN)。CISPR 16-1和產品系列標準詳細介紹了測試裝置。概括地說，就是將吸收鉗放置在被測電纜(干線、直流、音頻/視頻)周圍，并沿著一根6m長線移動，以查找每個頻率點上的最大發(fā)射值。

輻射發(fā)射測試裝置如圖2所示。

雖然這項測試看起來似乎要比前一項測試復雜一些，但實際上并不特別困難。由圖可見，EUT被安放在一張絕緣桌面的轉臺上，距地面80cm，以便在測試過程中通過轉動EUT來找出最大發(fā)射值。天線安裝在天線竿上，并可在1～4m之間移動，目的同樣是為了找出最大發(fā)射值。EUT與天線中心(上有標記)的距離為3m或10m。接收器裝置同樣按照CISPR 16-1制作，在30~1000 MHz的接收范圍內其分辨率帶寬必須為120kHz。針對輻射發(fā)射測量，接收器可能有一個設定。

對于上述的所有測量，需要注意在評估結果時必須將一些修正因子納入考慮。首先，對于所有測量裝置，±4dB為接受的不確定區(qū)間，這一點在CISPR 16-1的附錄L中有所闡述。其次，電纜衰減和連接器衰減也必須予以考慮。但是除此之外，還有更多因素必須予以考慮。

對于傳導發(fā)射，必須考慮LISN的阻抗偏差及其容限。不過，它的最大誤差只有2～4dB。吸收鉗的情況就不一樣了，其衰減在14～22dB之間，平均17dB。

輻射發(fā)射測試中的因子最大，其NSA(歸一化位置衰減)為-24～24dB。在這種情況下，無法進行任何近似，而且在執(zhí)行測試時還必須使用天線因子。此外，根據設計實踐經驗，在將產品送往第三方實驗室進行測試之前，還應當額外預留6dB的設計余量。

3) 諧波和閃爍測試

諧波和閃爍測試沒有環(huán)境方面的要求。只需將EUT連接到諧波分析儀的電源入口，并根據廠商的說明和標準的要求執(zhí)行測試即可。同樣，測試設備將包含一些已有的設置，但工程師必須確保這些測試設置符合自己產品的標準要求。如果評估時使用其他方法(如便攜式電源諧波分析儀)，請仔細閱讀標準要求，然后再評估測量結果。

4) ESD抗擾度測試

ESD抗擾度測試對于大型設備可能并不是很重要。但在今天這個各種產品普遍小型化的時代，ESD測試已成為大部分設備的“關鍵”EMC測試之一，例如對便攜式計算器、MP3和MD播放器、USB存儲棒、音頻設備等等。其測試裝置如圖3所示。

由圖可見，EUT仍然安放在一張絕緣桌上，位于HCP(水平耦合平面，由一種金屬傳導材料制成)上，并通過一個絕緣抗靜電襯墊與其隔離。VCP(垂直耦合平面)和HCP分別連接到地參考平面，每個連接端各使用一只470 kΩ的電阻。對于EUT的每個側面和VCP、HCP，以及EUT上每個用手能觸摸到的金屬表面，分別使用鋒利尖端進行接觸放電(直接放電)，通常每個極性 5次。對于機箱的所有塑料部分，則利用圓形尖端進行空氣放電(間接放電)。

5) 輻射電磁場抗擾度的測試

輻射電磁場抗擾度的測試裝置與輻射發(fā)射測試非常類似，但是在這項測試中，信號發(fā)生器和功率放大器將饋送給天線，以便在EUT附近產生“均勻電磁場”(±6dB)(在頻率范圍80~1000 MHz、AM、1kHz、80％調制深度下為3V/m或10V/m)。需要注意的是，不同產品的頻率范圍也不相同。

6) 傳導騷擾抗擾度測試

傳導騷擾抗擾度測試的目的是在EUT端口輸入建立3V電平(有效值，150 kHz~230 MHz、AM、1kHz、80%調制深度)。信號發(fā)生器和功率放大器必須提供足夠的功率，以便CDN能將信號耦合到被測線。由于測試項目3)、7)、 8)、9)、10)使用的是高度專業(yè)化的設備，如果實驗室中有這些設備，工程師無需太多操作，只要正確連接EUT就可以了，最重要的任務是監(jiān)控EUT的工作方式。

如何進行近場測試

本文前面的介紹部分講過，近場測試非常適合產品開發(fā)階段。在這個階段，標準測試方法或許能給出精確的結果，但卻無法顯示問題的來源所在。在挑選元件時，有些控制器芯片的輻射要比其他芯片低40dB，或具有更高的抗擾度。即使在產品開發(fā)完成，執(zhí)行兼容測試未通過之后，標準測試方法也幾乎無法給出有關問題來源的任何信息。在印制板一級，工程師們使用近場測試探針進行測量，也可能使用缺陷檢測器等。然而另一方面也必須了解，近場測試探針(幾乎)不能給出有關設備傳導或輻射水平的任何信息，其誤差為20～40dB。但近場測試探針可以保證一點：每次使用時，其測量結果總要好于前述的各種測量。為了通過近場測試探針大致了解產品是否能通過EMC測試，需要在已經確知結果的樣品上進行多次嘗試。

圖4(a)和(b)是一些磁場探針、電場探針和一根管腳探針的例子。它們的優(yōu)點是容易制作，外購也相當便宜。它們都使用50Ω的電纜，并連接到一臺(廉價的)頻譜分析儀。

近場探針用來拾取電磁場的全部兩個分量。雖然市場上有一些非常靈敏的電磁場場強儀，但電磁場的近場場強并不太容易測量。它們無法給出輻射噪聲頻率成分的任何信息，但可以方便地指出“問題分量”。近場探針在連接到頻譜分析儀時，還可給出頻率成分信息。

磁場探針提供一個與磁射頻(RF)場強成比例的輸出電壓。利用這個探針很容易找到電路的射頻源。不過，磁場的場強隨距離迅速變化(成三次方關系)。另外，探針的方向至關重要，因為磁場方向一定是垂直于磁環(huán)路的。前面已經指出，探針將不會給出太多的量化信息，但對于某個元件 (IC、開關三極管等)，隨著探針距離元件越來越近，探針的電壓輸出也將增大。即使周圍有許多元件，通過研究原理圖，設計者也可以很容易地辨認出噪聲源。如果工程師決定更換元件，他將很容易測量出更換后的結果，這使得在開始時就選擇可靠的元件成為可能。

管腳探針允許直接在IC管腳或PCB的細導線上鑒別噪聲電壓。還能方便地判斷濾波器的效果，盡管只是一種定性的判斷。管腳探針可以在濾波器的前、后分別進行接觸測量，并觀察其效果情況。但工程師必須正確估計接觸電容，并選擇電容較小的探針(不大于10pF)。

電場探針可拾取共模電壓和需要的信號。共模電壓是輻射電壓的一個重要來源。此外，磁場探針無法拾取電場。可以證明，使用全部三種探針是有益和省時的。

本文小結

本文介紹了擁有公司內部EMC測試設備的優(yōu)點和缺點?？傮w而言，除了設備成本、占用空間，以及可能的人員培訓這些投入之外，擁有EMC能力并沒有什么不利。無論如何，EMC技術在產品開發(fā)中必不可少，公司必須以某種方式進行這方面的投資(如依靠第三方咨詢公司的服務)，忽視它的代價將是高昂的。

參考文獻：

1. CISPR 16-1 and CISPR 16-2 Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods.

2. EN 55022 Information Technology Equipment - Radio Disturbance characteristics - Limits and Methods of Measurement.

3. EMC Testing Part 1 to Part 6 by Eur Ing Keith Armstrong and Tim Williams.

4. HAMEG GmbH web site, www.hameg.de