常用电磁兼容测试项目和测试要点

  • 2011年2月25日
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所属分类:软件测试
摘要

我国于2001年12月3日(当时正值正式加入世贸组织的前夕)颁布第一批实施强制性产品认证目录(3C认证),共涉及9个行业、19大类共计132种产品。在强制性产品认证目录上的19大类产品中,除少数明显与电技术无关外(如机动车辆轮胎、安全玻璃和乳胶制品等),多数都有电气安全,有相当多的产品还涉及电磁兼容问题。

我国于2001年12月3日(当时正值正式加入世贸组织的前夕)颁布第一批实施强制性产品认证目录(3C认证),共涉及9个行业、19大类共计132种产品。在强制性产品认证目录上的19大类产品中,除少数明显与电技术无关外(如机动车辆轮胎、安全玻璃和乳胶制品等),多数都有电气安全,有相当多的产品还涉及电磁兼容问题。

在国家标准GB/T4765-1995《电磁兼容术语》对“电磁兼容”的定义是:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中的住何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。

从字面理解看,设备的电磁兼容性包含了两方面的意思:首先,设备要有一定的抗干扰能力,使其在电磁环境中能够正常工作;其次,设备工作中自身产生的电磁骚扰应抑制在一定水平下,不能对同处于一个电磁环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰。

由此看来,设备的电磁兼容性包含了对设备的抗干扰能力和设备自身骚扰抑制这两方面的要求。

尽管电子设备的品种数不胜数,但除了特殊的设备对电磁兼容测试项目可能有些特殊要求外,实际上,对绝大多数产品来说其测试项目都是共通的。例如,对设备的电磁骚扰发射在0.15~30MHz范围内测传导发射;在30~1000MHz范围内测辐射发射;对一些有定时控制和程序控制的设备还要在0.15~30MHz范围内加测断续干扰(俗称喀呖声干扰)发射。对于设备的抗扰度试验,目前主要做静电抗扰度试验、由射频场引起的辐射抗扰度试验、电快速瞬态脉冲群抗扰度试验、雷击浪涌抗扰度试验、由射频场感应所引起的传导抗扰度试验、及电压瞬时跌落和短时中断抗扰度试验等6种。此外,考虑到设备的非线性工作状态对电网的污染,还要做设备工作时的谐波电流发射试验。因此,对大多数设备来说,所做的电磁兼容试验也只是屈指可数的几项而已。为方便广大读者了解起见,今简述于下:

一.设备工作时的电磁扰骚发射

对传导骚扰的测试,特别是对电源线上的传导骚扰测试,尽管产品千变万化,但基本方法都是一样的。其试验配置都是人工电源网络和干扰接收机(见图1)。其中人工电源网络可以在射频范围内向受试设备端子间提供现定的阻抗(50Ω),并能将试验电路同电源上的无用射频信号隔离开来,进而将干扰电压耦合到干扰接牧机上。干扰接收机则是一种按专门要求设计的接收机,具有平均值和准峰值两种检波功能,这是执行CISPR标准所必须的检波方式,尤其是后者,它较好地反映了干扰对听觉造成的效果(因为CISPR标准的本意就是要解决对通讯和广播的保护,所以检波的结果必然要与人耳的客观反应相一致)。

对于家用电器中有定时或程序控制的设备,在开关切换瞬间会产生比正常工作状态大得多的断续干扰。在一些标准中提出了对这类干扰的判别办法(根据断续干扰的幅度、频度、持续时间和间隔时间来加以判别)以及设备的合格评定办法(上四分位法)。测试方法目前大体有两种:一种是将图1干扰测量接收机面板的中频输出信号用50Ω电缆接到数字示波器,由测试人员目测、记录、判别和评定; 另一种是采用专门的干扰分析仪自动完成对断续干扰的测试和评定。

以上试验在屏蔽室里进行。

对骚扰发射的测试,随试品的不同,测试方法有较大变化:

对于家用电器和电动工具等一类产品,由于外形尺寸比较小巧,一般认为从试品表面向外的辐射尚不及通过电源线向外的辐射来得更多,更直接。基于这一想法设计了一个利用吸收钳测试电源线辐射的方案(见图2)。利用干扰接收机测试吸收钳前端电流变换器检测到的吸收电流值(辐射出来的骚扰波以涡流形式被吸收钳所吸收)来反映骚扰的辐射功率的大小。此方法简单,测试的重复性和可比性均较好。试验在屏蔽室里进行。

对于工、科、医设备和信息技术设备等的测试,标准规定在开阔场或电波暗室中进行。典型布置见图3所示。被测设备放在转台上,测量天线分别处在水平和垂直两种极化状态下,转台应360度旋转,记录每个测量频率上的辐射骚扰最大值。另外,天线高度应在1~4m内调节,以测出其最大值。测试结果由干扰接收机读出。

对于照明灯具等一类设备,辐射骚扰是通过设备工作过程中产生的磁场分量来测试的。为此,标准给出的测试方案见图4所示。大环天线提供的电流探头通过同轴开关和干扰接收机用同轴电缆相连。测试的频范围为9KHz~30MHZ。测试结果在干扰接收机上读出。测试在屏蔽室内进行。测试有较好的重复性和可比性。

二.产品的抗扰度试验

静电放电试验主要检查人或物体在接触设备时所引起的放电(直接放电),以及人或物体对设备邻近物体的放电(间接放电)时对设备工作造成的影响。静电放电可能产生的后果是:①直接通过能量交换引起半导体器件损坏。②放电所引起的近场电场和磁场的变化造成设备误动作。静电放电是通过放电枪直接对试品表面和邻近耦合板的放电来模拟的。由于

静电放电引起的干扰波的前沿达到0.7~1ns(接触放电时),其高次谐波成分极其丰富,故对设备的考核也特别严格。

抗脉冲群干扰是模拟电网中众多的机械开关在切换电感性负载时所产生的干扰。这类干扰的特点是:成群出现的窄脉冲(一群脉出现个数达到几十个乃至上百个)、脉冲的重复频率较高(KHz~MHz级)、上升沿陡峭(ns级)、单个脉冲的持续时间短暂(10~100ns级)、幅度达到KV级。成群出现的窄脉冲可对半导体器件的结电容充电,当能量积累到一定程度后可引起线路(乃至设备)的出错。试验时将脉冲叠加在电源线(通过耦合/去耦网络)和通信线路(通过电容耦合夹),对设备形成干扰。通常这一试验造成设备误动作的机会较多,除非有合适的对策,否则较难通过。

值得指出,由于静电放电和脉冲群试验所产生干扰波形的边沿十分陡峭,持续时间十分短暂,故对试验配置的规范性要求很高。不良的配置可以对试验结果的重复性、可比性,以及试验的严酷程度带来明显的影响,务必引起试验人员的注意。

抗浪涌试验又称抗雷击干扰试验。这是模拟自然界里的雷击(间接雷)对供电线路和通信线路的影响。对于供电线路中因大型开关切换所引起的线路扰动也用浪涌试验加以模拟。浪涌试验的特点是脉冲重复率低(每分钟1次,每次1个脉冲)、波形一般(前沿为

μs级,持续时间为0.01~1ms)、幅值较高(KV级),但能量特别大(几百焦耳级。相形之下,脉冲群的单个脉冲为毫焦耳级;静电放电为皮焦耳级)。因此浪涌试验对设备的影响可能是破坏性的(很可能因试验造成设备中器件的损坏)。需要一提的,浪涌试验是设备在正常工作状态下,通过电源线或通信线来加脉冲试验,所以是在线的抗干扰试验。它有别于设备的脉冲耐压试验,尽管两者波形相同,但脉冲耐压试验用的发生器内阻较大(为500Ω。而做浪涌试验的发生器的内阻仅2Ω),而且设备是在非工作状态下进行试验的,所以两种试验绝对不能混为一谈。

电压跌落和短时中断试验是模拟电网或变电设施由于故障或负荷突然出现大变化所引起的。这些现象本质上是随机的,其特征为偏离额定电压,并持续一段时间。作为大多数的数据处理设备,一般都有内置的断电检测线路,以便在电压跌落或短时中断发生时能及时保护现场数据,而当电源恢复时,设备能按正确方式起动,继续电源故障前的工作。反之,如果断电检测线路如果不能及时作出反应,就可能引发现场数丢失或改变,这样设备在电源电压恢复时就不可能正确再起动。

射频辐射电磁场试验用来模拟设备遭受射频辐射干扰的情形,尤其是模拟设备操作、维修和安全检查人员在使用移动电话时可能对设备带来的影响。尽管单台移动电话的功率并不大,但由于使用人员靠近设备,造成局部场强很高的情况屡见不鲜。其他如无线电台、电视发射台、移动无线电发射机、各种工业电磁辐射源,以及电焊机、可控硅整流器、荧光灯等在工作时也会对设备产生辐射现象。射频辐射电磁场的试验频率在80~1000MHz;试验用场强在1~10V/m之间。

对于频率较低(150KHz~80MHz)的射频信号,由于其波长较长,相形之下比一般设备的尺寸要长得多,但与设备的引线(包括电源线及其延续-户外架空线;以及通信线和接口电缆)的尺寸相当,这样这些引线就可以作为被动天线通过传导方式将射频信号以电压和电流形式的近场电磁骚扰在设备内部对设备形成干扰。

上述6项试验中的静电、脉冲群、浪涌和电压跌落试验都可以用单台仪器来实现,而且由于试验电压较高(远大于一般的环境电磁条件),试验都可以在普通实验室进行。

对于射频辐射电磁场和射频传导试验,都要用一套仪器才能完成一项试验。其中射频辐射电磁场试验要用信号发生器、射频功率放大器、天线、电磁场测试探头、场强监视仪、以及计算机和相应软件构成的闭环试验系统。射频传导试验需要用信号发生器、射频功率放大器、衰减器、耦合/去耦网络、耦合钳、电子毫伏计、以及计算机和相应软件构成的闭环试验系统。这里要注意的是信号发生器和射频功率放大器应与使用的试验频段相适应。射频辐射电磁场试验应在电波暗室中进行,作为替代,也可在GTEM小室中进行。射频传导试验一般应在屏蔽室中进行。

三.设备运行时所产生的谐波电流测试

开关电源和可控硅器件的大量使用,一方面提高了人们对电源的利用效率;另一方面由于非线性的电能转换又在电网里引进了大量谐波电流,它不仅使同一电网中的其他用电设备受到干扰,产生故障,它还会使电网的中线电流超载,影响输电能力。此外,对电源的相位控制还会引起电网有效值电流发生变化,导致负载侧的有效值电压产生波动,引起照明灯具的灯光闪烁。作为对电网质量的控制,在这次要做电磁兼容测试的认证产品中,大多数都己提出了这方面的要求,足以说明国家对这项指标的重视程度了。

设备运行所产生的谐波电流的测量线路见图5所示。其中试验电源S是一个理想化的交流电源,具有内阻小、波形纯、电压稳和频率准的特点。测量设备M是个离散富里叶变换的时域分析仪器,可以分析1~40阶次的谐波电流值。

 

试验之所选择谐波电流而不是我们比较熟悉的谐波电压为测试对象,是考虑了各地各处的电网阻抗各不相同,即使相同的谐波电流值在不同的电网阻抗上产生的压降也是各不相同的,使相互间缺少了可比性。相形之下,电网阻抗总是远小于设备阻抗,因此不同电网中的实际电流(包括由设备引起的谐波电流)相差并不大。故选择谐波电流测试的方案是可取的。另外,在试验线路中采用理想的电源,目的在于排除电网中已有的谐波电压和电流对设备工作电流造成的影响,使试验结果有较好的重复性和可比性。

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