- 電磁兼容測試所需設備和測試場地
- 電磁兼容測試方法介紹
- 國內開關電源電磁兼容現況
根據GB4824—1996標準對干擾源的分類，將設備劃分為兩組：一組設備是指為發揮其自身功能需要而包含專門產生或使用傳導耦合射頻能量的所有工、科、醫設備；另一組設備是指為滿足材料處理、電火花腐蝕等功能需要而包含專門產生或使用電磁輻射能量的所有工、科、醫設備。從上述定義看，開關電源當屬于第一組設備。
另外，GB4824—1996根據設備所使用供電網絡的不同，將設備又劃分成A、B兩類。A類設備是非家用、不直接連到住宅低壓電網的所有設施的工、科、醫設備；B類設備是在家用設施內和直接連到住宅低壓電網的設施的工、科、醫設備。從上述分類看，開關電源均有可能分屬于這兩大類設備?！ ?br />
EMC設計與EMC測試是相輔相成的。EMC設計的好壞是要通過EMC測試來衡量的，只有在產品的EMC設計和研制的全過程中，進行EMC的相容性預測和評估，才能及早發現可能存在的電磁干擾(EMI)，并采取必要的抑制和防護措施，從而確保系統的電磁兼容性。否則，當產品定型或系統建成后再發現不兼容的問題，則需在人力、物力上花很大的代價去修改設計或采用補救的措施。
EMC測試包括測試方法、測量儀器和試驗場所。測試方法以各類標準為依據，測量儀器以頻域為基礎，試驗場地是進行EMC測試的先決條件，也是衡量EMC工作水平的重要因素。EMC檢測受場地的影響很大,尤其以電磁輻射發射、輻射接收與輻射敏感度的測試對場地的要求最為嚴格。目前，國內外常用的試驗場地有開闊場、半電波暗室、屏蔽室和橫電磁波小室等。
本文將討論與開關電源電磁兼容測試有關的測量儀器設備和測試場地、測試方法和展望我國電磁兼容試驗技術等問題。
測量儀器設備和測試場地
(1)測量儀器
采用帶有準峰值和平均值檢波器的干擾接收機，其性能應符合CISPRl6—1或對應國標GB／T6113.1(《無線電干擾和抗擾度測量設備規范》)的要求。在標準涉及的頻率范圍內，一般要用兩臺不同頻段的干擾接收機，分別是10kHz～30MHz、30～1000MHz。
(2)線性阻抗穩定網絡
線性阻抗穩定網絡（LISN：lineimpedancestabilizationnetwork）又稱為人工電源網絡。在做電源端傳導干擾電壓/電流測試時，應采用阻抗為50Ω／50μH的LISN(V型網絡)，其特性應符合CISPRl6—1和GB／T6113.1的要求。聯接LISN有兩個作用：其一，對EUT的電源輸入端口，在高頻諧波時提供一個標準線性阻抗，這樣當聯接到同一電源的其它設備發生變化時，不會影響EUT輸入的電源阻抗；其二、LISN可以濾去來自電網電源的EMI，給開關電源提供一個“干凈”的電網交流電源，不會影響對EUT本身傳導干擾的測量結果。
(3)天線
在10kHz～30MHz頻段內采用具有屏蔽的環型天線。在30～1000MHz頻段內采用平衡偶極子天線。
(4)測試場地
作為EMC測試的實驗室大體有兩種類型：一種是經過EMC權威機構審定和質量體系認證，而且具有法定測試資格的綜合性設計與測試實驗室或檢測中心。它包括進行傳導干擾、傳導敏感度及靜電放電敏感度測試的屏蔽室，進行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室，用來進行輻射發射測試的開闊場地和配備齊全的測試與控制儀器設備。另一種類型就是根據本單位的實際需要和經費情況而建立的具有一定測試功能的EMC實驗室。比起檢測中心，這類測試實驗室規模小、造價低，主要適用于預相容測試和EMC評估，也就是為了使產品在最后進行EMC認證之前，具有自測試和評估的手段。
對待測設備（EUT:equipment undertest）測試場地布置的一般要求是：EUT的干擾電平是指試品在各種典型使用情況下，所取不同配置和試驗布置時干擾值的最大值。在試驗報告中應詳細說明試驗時試品的配置和試驗布置。當EUT是由幾個互連設備組成時，互連電纜的型號和長度應與試品技術要求中規定的相一致。如果電纜長度是可以改變的，則取在輻射試驗中能產生最大輻射的長度。
10kHz～1000MHz頻段的輻射測試場地應該是一個空曠、平坦的場地，在其邊界范圍內無架空線，附近無反射結構物(如鋼筋水泥建筑和高大樹木等)，而且具有足夠大的尺寸，使天線、試品和反射結構物之間能充分分開。滿足標準的輻射測試場地應該是一個由長軸等于兩倍焦距(F)、短軸等于倍焦距的橢圓所包圍的場地，如圖1所示。試驗時，EUT和測量天線將分別處在兩個焦點上。
為了獲得穩定的電波傳輸特性，必須有一個固定的、相當大的反射地面(或稱接地平板)。反射面用金屬材料制成，如鋼板(包括鍍鋅鋼板)和金屬絲網等。板與板之間要用電焊連接，無大的漏縫或孔洞。金屬網孔徑的最大尺寸必須小于波長的1／10(對1000MHz，孔徑應小于3cm)。另外，場地表面必須平整，同時要考慮排水設施。
傳導干擾電壓/電流的測試可以在輻射試驗場地內進行，也可以在屏蔽室內進行。
圖1 滿足標準的輻射測試場地
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直接測試方法
所謂直接測試方法指的是在按某個EMC標準要求的實驗室測量配置和測試條件進行EMC測試，追求的是測試結果的準確性及與國內外測試機構之間的可比性。但費用較高。下面分別討論環境電平的測試、30MHz～l000MHz的輻射測試和電源端傳導干擾電壓/電流的測量。
(1)環境電平的測試
EUT接入測量線路，但在未通電運行時，要用測量環境噪聲電平的方法來決定試驗環境的 適用性，環境電平應至少比規定的限值低6dB。如果環境電平和EUT的輻射疊加后，仍不超過規定限值_，EUT即被認為已滿足規定限值。
在測量電源端傳導騷擾電壓時，可在LISN和供電電網之間接入一個適當的射頻濾波器，以降低環境電平。但接入射頻濾波器后，在測量頻率上，LISN的阻抗仍應滿足規定要求。
在測量輻射騷擾時，如果環境電平無法滿足要求，則可將測量天線向試品移近后再進行測量，但限值不變。這實際上是對EUT的要求更加嚴格了。
(2)30MHz～l000MHz的輻射測試
當EUT放在試驗轉臺上時，應使設備的輻射中心盡可能地接近轉臺的轉動中心。EUT和測量天線的距離是指轉動軸線和測量天線之間的水平距離。
關于試驗的轉臺，如果是高出接地平板的轉臺，一一般不應高出該平面0．5m；如果是與接地平板處在同一平面的轉臺，則轉臺平面一定是金屬平面，且和接地平板有良好的電氣連接。不管哪一種轉臺，非落地式試品放在轉臺上，離接地平板的高度應為0．8m。當EUT不放在轉臺上時，EUT和測量天線之間的距離是指EUT邊界和測量天線之間的最近水平距離。
圖2 輻射干擾測量的典型布置
對于EUT放在轉臺上的情況，測量天線處在水平和垂直兩種極化狀態時，轉臺都應在所有角度上旋轉，應在每個測量頻率上記錄其輻射騷擾的最高電平。
測量中對天線的要求是：在30～80MHz頻段內，天線長度應等于80MHz的諧振長度；在80～1000MHz頻繁段內，天線長度應等于測量頻率的諧振長度。另外，應該用一個適當的變換器裝置使天線與饋線相匹配。還要配置一個平衡／不平衡變換器，實現與測量接收機的連接。
天線應能任意取向，分別測量其垂直極化和水平極化波分量。天線中心高度應能在l～4m內調節。天線離地的最近點不應小于0．2m，以測出其最大值。
如果使用其他形式天線的測量結果與平衡偶極子天線的測量結果的差值在±2dB以內，則可用其他形式天線。實用中常用的寬帶天線是雙錐天線(30～300MHz)和對數周期天線則可用其他形式天線。實用中常用的寬帶天線是雙錐天線(30～300MHz)和對數周期天線(30～1000MHz)。圖2是輻射干擾測量的典型布置?！?br />
(3)電源端傳導干擾電壓/電流的測量
測量傳導干擾時，德國的VDE(verbenadetacherelectrotechniquer)和CISPR標準采用有別于美國的聯邦政府通信委員會FCC(federalcommunicationscommission)標準的LISN電路，其輸入阻抗為150，而FCC標準采用的LISN電路，其輸入阻抗為50。傳導干擾測試下限頻率，VDE和CISPR標準規定為10kHz，而FCC標準規定為450kHz；這三種標準規定上限頻率都是30MHz。
在輻射試驗場上測量時，EUT應處于和輻射測量相同的狀態下，且EUT應處在比其邊界至少擴展O.5m或最小尺寸為2m×2m的金屬接地平板上。
在屏蔽室內測量時,可用地面屏蔽層或任意一壁的屏蔽層作為接地平板。試驗時，非落地EUT應放在離地平板0.4m高的絕緣支架或臺子上。落地EUT則放在接地平板上，其接觸處應相互絕緣或與正常使用時一致。所有EUT離其他金屬物體的距離應大于0.8m。
LISN的外表面和EUT邊界之間的最近距離應小于0．8m。網絡的參考接地端應該用盡量粗短的導線接到接地平板上。電源電纜和信號電纜和信號電纜走線與接地平板之間的相關情況應與實際使用情況等效，并應十分小心地布置電纜，以免造成假響應效應。圖3為在屏蔽室內測量時,傳導干擾測量的典型布置。
當EUT有特別的接地端子時，應該用盡量短的導線接線地。不裝有特別接地端子的EUT，應在其正常連接方式下進行試驗，即從供電電網上取得接地。由制造廠提供軟性電源線的設備，其電源線的長度應為1m。如果實際長度超過1m，則超過部分應來回折疊成O．3～O．4m的線束。
圖3 在屏蔽室內測量時,傳導干擾測量的典型布置
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如果EUT由幾個單元組成，而且每個單元都具有電源線，在與LISN連接時，取決于下列規定：
?、俳釉跇藴孰娫床孱^的每根電源電纜都應分別測量；
?、谥圃鞆S未規定須從系統中另一單元取得供電電源的電源線或端子都應分別測量；
③由制造廠規定須從系統中某一單元取得電源的電源線或端子應接至該單元，而將該單元的電纜或端子接至LISN進行測量；
?、墚擡UT為了安全目的需要接地時，接地線應接在LISN的參考接地點上。除了由制造廠提供接地線或對接地另有規定外，在無其他特殊要求時，接地線長度應為lm，并與EUT電源線平行敷設，其間距不大于O．1m。
替代的測試方法
由于上述實驗室測量配置價格不菲，如果還要涉及到測試場地，則更不是一般生產企業所能接受得了的。而替代測試方案，在確保有一定可比性的前提下，可盡量降低配置成本，為盡可能多的企業所接受。
(1)測量儀器
考慮到開關電源的特點，其內部均由電子線路構成，電源穩態工作時不產生火花、電弧和氣體放電，也不產生家電產品特有的“喀嚦”聲干擾，只產生周期性的電壓、電流及其諧波，因此推薦采用頻譜分析儀。在標準規定的測試頻率范圍內，只要選用一臺10kHz～1000MHz以上的頻譜分析儀即可。
(2)LISN接入方法同前
(3)天線
采用吉赫芝橫電磁波室(GTEM小室)，其上、下底板與內部隔板所起的功能類似于接收天線，所以在終測配置中用到的接收天線予以取消。
(4)測試場地
由于開關電源的外形尺寸并不大，可望容納在最近發展起來的吉赫芝橫電磁波室(GTEM小室)中，而小室的工作頻率范圍也足以滿足一般測試的需求。
盡管這種測試場地在CISPRll和GB4824標準中尚未表示認可，但在測試汽車用電子／電氣零部件無線電干擾特性的CISPR25標準中，已經把TEM小室法作為測試零部件／模塊輻射發射特性的標準試驗方法。GTEM小室則是TEM小室的發展，有較大的試驗空間，且與使用的頻率范圍沒有矛盾，因而得到了越來越多的應用。
(5)測試方法
對于10kHz～1000MHz的放射測試，采用GTEM小室和頻譜儀的測試。為保證試驗結果的重復性和可比性，EUT每次試驗所放置的位置應予固定。
關于極化的測試問題：由于小室內部隔板與上、下底板之間的位置是固定的，因此只能通過EUT的轉動，讓EUT的幾個面依次朝對隔板來實現。
(6) 其他替代測試方法
國際曾有人建議對小型電子設備采用類似于CLSPRl4一l(對應的我國國家標準是GB4343—l《家用和類似用途電動、電熱器具、電動工具以及類似電路的無線電干擾特性的測量方法和允許值》)中所提供的吸收鉗(或稱為功率探針、鐵氧體鉗)方法來測試EUT對外的輻射功率。利用吸收鉗可以測量5MHz—300MHz的傳導干擾功率。采用此法的前提是EUT尺寸較小，其輻射到空間的能量主要是通過EUT的電源線等逸出的。因此，對這部分能量的測量可以用一個環繞電源線的吸收裝置來實現。這個吸收裝置便被稱為吸收鉗。這個方法的優點是簡便易行，對環境要求不高，在屏蔽室里便可進行，而且測試結果有很好的重復性和可比性。電壓、電流傳導干擾可分別由電壓探針和電流探針測出。圖4、圖5分別為電壓探針和電流探針原理圖。圖6為電流探針測量電流傳導干擾原理圖。功率探針原理見圖7。
此法已在CISPRG分會上作為對CISPR22(對應的我國國家標準是GB9254《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》)的修訂方案通過了該分會技術委員會的草案(CD)，現已進入到秘書處起草成國際標準草案(FDIS)的階段。
由于上述原因，此法在技術上有一定可行性，且方法簡單、重復可比，配置價格較低。只是吸收鉗法與輻射干擾的直接測量法之間還存在一個數據比對問題，但就方法而言，仍不失為一般企業可采取的一個很好的試驗方法。
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國內開關電源電磁兼容現況
自1983年我國YD/T983標準開始起草以來，國內開關電源制造商紛紛開始進行電磁兼容的研究。由于電磁兼容測試議器、試驗場地建設費用很高，且需要有經驗的研發人員，很多制造商不能有自己的實驗室，對開關電源電磁兼容的研發造成了困難。目前我國的開關電源產品，在YD/T983標準下，除雷擊、浪涌、ESD和EFT指標外，其他抗擾度指標容易達到。但是，電磁干擾指標(例如傳導干擾和幅射干擾)大部分開關電源產品達不到指標要求。因此是目前研究開關電源電磁兼容性的熱點內容。
我國運用電磁兼容試驗技術始于20世紀60年代前后，當時試驗條件簡陋，測量設備多半是國內自行研制的簡易測量設備，測量手段也比較落后。1966年船舶工業先行一步，制定了自己的行業測量標準JB-854—66《船用電氣設備工業無線電干擾端子電壓測量方法及允許值》。進入20世紀80年代，國外先進的電子測量設備大量涌進市場。國內一些重要的科研單位、大型生產廠家及某些高校先后興建電磁兼容試驗室，引進了成套的測量設備。
因電磁兼容領域與其他專業相比要更多地依賴于測量，而且電磁兼容測量對試驗條件的要求又很嚴格。因此，隨著國際電磁兼容標準的應用與轉化，我國高標準的試驗室陸續建成，專業技術隊伍不斷擴充壯大，這為電磁兼容試驗技術的發展帶來了機遇和條件保證。
目前的電磁兼容試驗室大都以軍標或民標為主，彼此適當兼顧，安裝的測試設備與試驗室規模與等級相配套。這種試驗室可完成規定標準的規范測試，測試結果可指明受試件是否滿足規定標準要求。如果超標，則可給出超標的頻點及超標量值；對于抗干擾性能檢測，則給出受試件的實際抗擾度電平，亦即敏感度閾值。這種測試是產品驗收的最終檢測手段，無論是新產品定型、產品上市流通，還是軍品總裝前的產品交付驗收都是必不可少的。這類試驗室大多能夠根據相應標準作全自動化檢測，消除系統測試誤差，從而得到精確的測試結果。
由于電磁兼容標準已被賦予法律效力，則電磁兼容測試結果的公正性與正確性就顯得十分重要，它關系到一項設計能否被認可，一個產品能否成為合格產品，關系到企業的命運。如何保證同一產品在不同試驗室中測試結果的一致性呢?誰來保證試驗室測試的公正性呢?這些工作正在納人規范化管理之中。
1999年曾由國防部主辦過一次試驗室比對工作，最近又在籌備新一輪的比對工作，參加比對的試驗室在有關部門組織下參照《ISO／IEC系列導則43—1984(E)實驗室能力測試的設謄及實施》，對同一被測試設備進行約定測試項目的測試。測試方法及測試要求均在比對文件中給出。最后由組織單位按規定對測試結果進行數據處理。這對電磁兼容測量中量值的統一將起到重要作用?！?br />
為了保證電磁兼容測試結果的公正性，首先要有一個在電磁兼容領域中具有權威組織作為認證機構。在確認標準規定要求得到滿足后，認證機構有權頒發合格證書。證機構按照標準EN450001／1900．5《測試試驗室操作的通用標準》授權和控制試驗室，使其具有合法身份，檢查它的公正性、獨立性、誠實性、技術能量及質量管理體系?！ ?br />
目前我國對電磁兼容試驗室的認證工作已經開始，也出臺了相應的標準。各試驗室已按標準要求加強試驗室管理。一些直接引進的試驗室已拿到承制方申請的歐共體“CE"標記的認可證書。
EMI診斷，即EMC預測試。EMC預測試的特點是在產品開發初期能夠及早地發現設計的問題，它不需要苛刻的試驗條件，也回避了購置昂貴測試設備的困難，因此它有強大的生命力。它在整個產品的研制生產中仍是重要的測試手段，可及時檢驗產品的EMC設計是否合理，所采取的EMI抑制措施是否奏效，使設計人員盡快了解要進一步抑制干需從哪些環節入手。
EMC設計應與產品電性能設計同步進行、綜合考慮，這已被產品開發設計人員接受。一般產品的EMC測試在產品功能測試融為一體的可能。如當前信息產業部通信計量中心引進的手機等專用信息產品的EMC測試試驗室和測試設備就是在手機正常狀態下檢測相關的EMC指標。隨著電子儀器的進步以及內裝自檢技術的應用，測試技術正向多媒體化、網絡化方向發展。未來的電子產品檢測將是全方位、全自動化的測試。
近10年來，人們逐漸推廣使用混響室進行電磁兼容試驗。混響室是一個由金屬墻壁構成的實驗室，一般在測試室的天花板上裝設一個攪拌器。將待測設備放在室內，當攪拌器旋轉時，使待測設備暴露于電磁場中。待測設備在場中的平均響應可通過響應對攪拌器旋轉一周的時間周期進行積分來求得。混響室的金屬墻壁容許在室內建成一個強場。待測設備暴露于數個不同的極化組成的強場電平中。
在傳統的電磁敏感度試驗中，試驗應在完全給定而不能任意選擇的環境下進行，如在橫電磁波小室或電波暗室中進行。在這種限定的環境下，場的極化與分布不隨時間改變，因為這些方法的工作原理是建立在一個單一優勢?；牡A上的。混響室的金屬墻壁容光煥發許在室內建軍成一個強場。待設備暴露于由數個不同的極化組成的強場電平中。
在傳統的電磁敏感度試驗中，試驗應在完全給定而不能任意選擇的環境下進行，如在橫電磁波小室或電波暗室中進行。在這種限定的環境下，場的極化與分布不隨時間改變，因為這些方法工作原理是建立在一個單一優勢?；牡A上的。混響室則沒有給出一個限定性的場，但卻提供了一個均勻的電磁環境，即室內各處能量密度均勻，各向同性，各方向能流相同而極化是任意的，亦即所有波間的相位與極化是任意的。只要室內有大量本片模（在某一固定頻率以上會出現這種情況），就可達到上述要求。此外，簡并情況（即在某頻率下有多少模重合）與波形間隔是重要參量。混響室的主要優點是在該室內用一個適當的功率源就有可能建軍立一個強場，因此需要很高的品質因數Q。
最近，國外又在推廣5m法電波暗室，與10m法電波暗室相比占用的空間要小得多，因而成本會大大下降。人們正在研究如何將5m法測試結果等效成10m法的結果，這一研究工作在國內外受到廣泛關注，進展較快，預計在近期將會取得滿意的成果。
此外，人們還提出另一種屏蔽小室—WTEM小室，其結構是半個TEM小室，但采用線陣結構而非板塊結構。它與TEM小室相比并沒有實質性的改變，但這種結構在改善電磁場的均勻性、降低本身的耦合與提高單模帶寬方面比TEM小室，更容易實現。
由此可見，屏蔽測量技術今后還有較大的發展。以此為推動力，相應的理論研究、應用研究及其開發工作都將會受到更多的重視。
EMC測試必須依據EMC標準和規范給出的測試方法進行，并以標準規定的極限值作為判據。對于預相容測試，盡管不可能保證產品通過所有項目的標準測試，但至少可以消除絕大部分的電磁干擾，從而提高產品的可信度，而且能夠指出如何改進設計、抑制EMI發射。
由于EMC測試是個復雜過程，而且與測試者經驗和測試技術有關，所以測試結果重復性不理想。這樣，建立自動測試系統，研究新的算法和測試手段就成為今后研究的熱門課題[8]。
因為EMC設計與EMC測試是相輔相成的，EMC設計的好壞是要通過EMC測試來衡量的，所以對開關電源電磁兼容測試的研究具有重要意義。由于開關電源在電子設備得到極為廣泛的應用，因此，開關電源EMC是否達標，直接影響電子設備EMC能否達標。而我國目前的大部分開關電源產品達不到EMC指標要求，可見這一領域還要花大氣力去攻關。
