原创 电磁兼容(EMC)的标准与测试内容

2023-2-7 11:06 1327 14 6 分类: 通信
    在国际范围上,电磁兼容标准的制定已经有了70多年的发展历程,最早为了保护无线电通信和广播,国际无线电干扰特别委员会(CISPR)对各种用电设备和系统提出了相关的电磁干扰发射限值和测量方法。到了20世纪60~70年代,由于电子、电气设备的小型化、数字化和低功耗化,人们开始考虑设备的抗干扰能力,世界各大标准化组织和各国政府机构也相继制定了许许多多的电磁兼容标准。咱们今天就和海翎光电的小编一起来聊聊电磁兼容的基础知识和测试内容。    海翎光电的小编简单做了个脑图大纲,主要就围绕这些内容来讲解。


    1、定义    (1)EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。   (2) EMI(Electro Magnetic Interference)直译为"电磁干扰",是指电子设备(干扰源)通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。示例:当我们看电视的时候,旁边有人使用电吹风或电剃须刀之类的家用电器,电视屏幕上会出现的雪花噪点;电饭锅煮不熟米饭;关闭了的空调会自行启动……这些都是常见的电磁干扰现象。更为严重的是,如果电磁干扰信号妨碍了正在监视病情的医疗电子设备或正在飞行的飞机,则会造成不堪设想的后果。从这些例子来看,就好像是电子设备具有无形的“攻击力”,对其他电子设备的正常运行造成了扰乱和破坏。
    (3)EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译为“电磁敏感度”,是指由于电子设备受到外界的电磁能量,造成自身性能下降的容易程度。
示例:例如同样受到电吹风或电剃须刀的干扰,有些电视机的屏幕上出现了雪花噪点,有些电视机却安然无恙。这表明在受到电磁干扰“攻击”的情况下,前者的电磁敏感度较高,更易受伤,也就是“防御力”较低;而后者的电磁敏感度较低,不易受伤,即“防御力”较高。   (4) 传导干扰和辐射干扰:从“攻击”方式上看,电磁干扰(EMI)主要有两种类型:传导干扰和辐射干扰。    传导干扰是指干扰源通过导电介质(例如电线)把自身电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。最常见的例子是我们电脑中的电源会对家里的用电网络产生影响,在电脑开机的同时家里的电灯可能会变暗,这在使用杂牌劣质电源的电脑上表现得更为明显。而在当今电源的内部结构中,一二级EMI滤波电路是必不可少的,这里的“EMI”针对的就是电磁传导干扰,以防止电源工作时对外界产生太大的影响。    辐射干扰是电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。如下图,通过电源线相互产生的干扰是传导干扰,通过电磁波产生的干扰是辐射干扰。图片

    电磁干扰的产生原因:电压/电流的变化中不必要的部分。电磁干扰的耦合途径有两种:导线传导和空间辐射。    导线传导干扰原因是电流总是走“最小阻抗”路径。以屏蔽线为例,低频(f<1kHz)时,导线的电阻起到主要作用,大部分电流从导线的铜线中流过;高频(f>10kHz)时,环路屏蔽层的感抗小于导线的阻抗,因此信号电流从屏蔽层上流过。    干扰电流在导线上传输有两种方式:共模和差模。    一般有用的信号为差模信号,因此共模电流只有转变为差模电流才能对有用信号产生干扰。阻抗平衡防止共模电流向差模转变,可以通过多点接地用来降低地线公共阻抗,减小共地线阻抗干扰。    空间辐射干扰分近场和远场。近场又称为感应场,与场源的性质密切相关。当场源为高电压小电流时,主要表现为电场;当场源为低电压大电流时,主要表现为磁场。无论是电场还是磁场,当距离大于λ/2π时都变成了远场。远场又称为辐射场。远场属于平面波,容易分析和测量,而近场存在电场和磁场的相互转换问题,比较复杂。    这里面有问题的是如果导线变成天线,有时候就分不清是传导干扰还是辐射干扰?    低频带下特别是30 MHz以下的主要是传导干扰。或者可以估算当设备和导线的长度比波长短时,主要问题是传导干扰,当它们的尺寸比波长长时,主要问题是辐射干扰。    干扰信号以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量,再以泄漏和耦合形式,通过绝缘支撑物等(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。

举例:900MHz,平面波的转折点在50 mm电磁波辐射有两个必要条件:变化的电压/电流和辐射天线。两者缺一,都不会产生大量的辐射干扰。

    有些资料会给出瞬态干扰的概念,顾名思义:时间很短但幅度较大的电磁干扰。瞬态干扰一般指各类电快速脉冲瞬变(EFT)、各类浪涌(SURGE)、静电放电(ESD)等三种。

    重点:消除其中任何一个因素就可以满足电磁兼容设计的要求。切断耦合途径是最有效的电磁兼容处理措施。了解下传播路径:

    电磁干扰可以通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的传导干扰,也有通过空间直接传播的空间辐射干扰。这些干扰或者噪声并不是独立存在的,在传播过程中又会出现新的复杂噪声,这种问题叠加问题才是解决问题的难点。

近场区,波阻抗与辐射源的位置、阻抗、频率及辐射源周围的介质有关;远场区,波阻抗等于电磁波传播介质的特性阻抗;在真空中,波阻抗为377Ω。由377Ω想到自由空间的特性阻抗:    有个基础概念需要讲一讲:dB&dBm区别。dB之前的常提常见。dBm是功率相对于1 mW的值。至于区别,上公式比较直接:

05环路图片图片    电流在传递路径与返回路径中形成的环路是PCB辐射发射的一个原因。电子产品中任何信号的传递都存在环路,如果信号是交变的,那么信号所在的环路都会产生辐射,当产品中信号的电流大小、频率确定后,信号环路产生的辐射强度与环路面积有关,管控信号环路的面积可以控制EMC问题。
单点&多点接地

    电子设备是否选择单点接地,主要取决于系统的工作信号频率和接地线的长度,即其表征量L/λ。L/λ<=0.1时,选择单点接地,单点接地的应用范围一般在300kHz以下,在有些场合也可用在1MHz以下。当地线长度为1/4波长的奇数倍时,地线阻抗变得很高,产生天线效应,即地线像天线一样向外辐射噪声信号。若用一点接地,地线长度不得超过波长的1/20,否则应采用多点接地。散热&屏蔽


屏蔽和散热是互相矛盾的,散热孔一般是一组孔洞,利用风扇进行强迫对流,这些孔洞将会引起电磁泄漏,使屏蔽效果下降,孔洞越大,屏蔽效果越差。通常系统的外壳都配置了散热孔,这种散热孔会影响整个系统的屏蔽性能。06
EMC测试项及标准


EMI测试项:辐射骚扰电磁场(RE)、骚扰功率(DP)、传导骚扰(CE)、谐波电路(Harmonic)、电压波动及闪烁(Flicker)、瞬态骚扰电源(TDV)EMS测试:辐射敏感度试验(RS)、工频磁场抗扰度(PMS)、静电放电抗扰度(ESD)、射频场感应的传导骚扰抗扰度测试(CS)、电压暂降,短时中断和电压变化抗扰度测试(DIP)、浪涌(冲击)抗扰度测试(SURGE)、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试(EFT/B)、电力线感应/接触(Power induction/contact)国际标准化组织:国际电工委员为IEC、国际标准华组织ISO、电气电子工程师学会IEEE、欧盟电信标准委员会ETSI、国际无线电通信咨询委员CCIR、国际通讯联盟ITU国际电工委员会IEC有以下分会进行EMC标准研究:CISPR国际无线电干扰特别委员会、TC77电气设备(包括电网)内电磁兼容技术委员会、TC65工业过程测量和控制、FCC联邦通、VDE德国电气工程师协会、VCCI日本民间干扰国际标准化:BS英国标准、ABSI美国国家标准、GOSTR俄罗斯政府标准、GB、GB/T中国国家标准EMC测试结果的评价A级:实验中技术性能指标正常B级:试验中性能暂时降低,功能不丧失,实验后能自行恢复C级:功能允许丧失,但能自恢复,或操作者干预后能恢复R级:除保护元件外,不允许出现因设备(元件)或软件损坏数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低
    电磁兼容测试分为两大类:一类是电磁干扰度(EMI)测试,测试电子产品系统对其他设备、对电磁空间的干扰发射情况。一类是电磁抗扰度(EMS)测试,测试电子设备抵御空间电磁干扰的能力。   国家标准中EMI测试项目为2项,军用标准中EMI测试项目为7项,EMS测试项目为10项,军用保证EMS测试项目为12项。列出不同数量测试项目,说明针对不同行业,有着不同要求,这个也好理解。问题是EMC测试有不同标准,各个行业再依据标准进行细化,确定自己满足的等级和要求。

    EMI测试场地有半电波暗室、全电波暗室、开阔场三种。    产品相关EMC测试是必须的,产品EMC测试出现相关问题,整改方向:

1.静电抗扰度测试—>屏蔽

2.电快速瞬变脉冲群抗扰度测电源隔离,使用屏蔽双绞线&安装磁环。

3.浪涌(冲击)抗扰度测试安装浪涌抑制器

4.射频场感应的传导骚扰抗扰度测试屏蔽、接地、滤波

5.射频电磁场辐射抗扰度测试导电泡棉将线缆压紧,保持最小的缝隙。

6.传导发射电源隔离、滤波、接地、减小回路面积。

7.辐射发射出现超标屏蔽接地,检查连接,安装磁环,检查模拟设备。


    07    产品电磁兼容性设计,必须通过整体设计,从电路设计到元器件选型,从PCB制版到样机调试,从电子设备的测试到发布,每一步都要考虑有可能引起的电磁兼容问题,从产品最初规划到最后认证结束,每一步都要融入电磁兼容设计思想,才能真正管控好电磁兼容问题。
    08 分贝(dB)    分贝(dB)的概念:分贝(Decibel,dB)是电磁兼容中常用的基本单位。是一个纯计数单位,本意是表示两个量的比值大小,没有单位。    dB就是把一个很大(后面跟一长串0的)或者很小(前面有一长串0的)的数比较简短地表示出来。如(此处以功率为例):

   在电子工程领域,放大器增益使用的就是dB(分贝)。放大器输出与输入的比值为放大倍数,单位是“倍”,如10倍放大器,100倍放大器。当改用“分贝”做单位时,放大倍数就称之为增益,这是一个概念的两种称呼。

电学中分贝与放大倍数的转换关系为:

分贝定义时电压(电流)增益和功率增益的公式不同,但我们都知道功率与电压、电流的关系是P=V^2/R =I^2*R。采用这套公式后,两者的增益数值就一样了:

    使用分贝做单位主要有三大好处。

    (1)数值变小,读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万,一架收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出,一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数,数值就小得多。    (2)运算方便。放大器级联时,总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时,总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB),后级是20倍(13dB),那么总功率放大倍数是100×20=2000倍,总增益为20dB+13dB=33dB。    (3)符合听感,估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如,当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时,听到的声音就响了很多;而从1瓦增强到2瓦时,响度就差不太多;再从10瓦增强到11瓦时,没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦,而用增益表示分别为10.4dB,3dB和0.4dB,这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现,Hi-Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝,使您改变音量时直观些。

    分贝数值中,-3dB和0dB两个点是必须了解的。-3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半,电压或电流是正常时的0.707。在电声系统中,±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标,如频率范围,输出电平等,不加说明的话都可能有±3dB的出入。0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。分贝是一个相对大小的量,没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值,这是因为人们给0dB先定了一个基准。例如声级计的0dB是2×10-4μb(微巴),这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。常用的0dB基准有下面几种:

dBFS——以满刻度的量值为0dB,常用于各种特性曲线上;dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dBm,常用于交流电平测量仪表上;dBV——以1伏为0dB;dBW——以1瓦为0dB。

    一般读出多少dB后,就不用再化为电压、声压等物理量值了,专业人士都能明白。只有在极少数场合才要折合。这时只需代入公式:10A/20(或A/10)×D0计算即可。A为读出的分贝数值,D0为0dB时的基准值,电压、电流或声压用A/20,电功率、声功率或声强则用A/10。

附录:概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc, dBuV

    (1) dBm:dBm是一个考征功率绝对值的值,计算公式为:10lgP(功率值/1mw)。

[例1] 如果发射功率P为1mw,折算为dBm后为0dBm。[例2] 对于40W的功率,按dBm单位进行折算后的值应为:10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。dBm是功率单位;dBm 定义的是 miliwatt。0 dBm = 10log1 mw;dBw 定义 watt。0 dBw = 10log1 W = 10log1000 mw = 30dBm。
    (2)dBi 和dBd:dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),两者都是一个相对值,但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线,dBd的参考基准为偶极子,所以两者略有不同。一般认为,表示同一个增益,用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。[例3]对于一面增益为16dBd的天线,其增益折算成单位为dBi时,则为18.15dBi(一般忽略小数位,为18dBi)。[例4] 0dBd=2.15dBi。[例5]GSM900天线增益可以为13dBd(15dBi),GSM1800天线增益可以为15dBd(17dBi)。    (3)dB:dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:10lg(甲功率/乙功率)[例6]甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是说,甲的功率比乙的功率大3dB。[例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。[例8] 如果甲的功率为46dBm,乙的功率为40dBm,则可以说,甲比乙大6dB。[例9] 如果甲天线为12dBd,乙天线为14dBd,可以说甲比乙小2dB。

    (4)dBc:有时也会看到dBc,它也是一个表示功率相对值的单位,与dB的计算方法完全一样。一般来说,dBc是相对于载波(Carrier)功率而言,在许多情况下,用来度量与载波功率的相对值,如用来度量干扰(同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等)以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方,原则上也可以使用dB替代。

    (5)dBuV:根据功率与电平之间的基本公式V^2=PR,可知dBuV=90+dBm+10log®,R为电阻值。载PHS系统中正确应该是dBm=dBuv-107,因为其天馈阻抗为50欧。    (6)dBuVemf 和dBuV:emf:electromotive force(电动势)对于一个信号源来讲,dBuVemf是指开路时的端口电压,dBuV是接匹配负载时的端口电压定义为两个功率的比
    09 传导干扰耦合形式:    共阻抗耦合:由两个回路经公共阻抗耦合而产生,干扰量是电流i,或变化的电流di/dt。    容性耦合:在干扰源与干扰对称之间存在着耦合的分布电容而产生,干扰量是变化的电场,即变化的电压du/dt。    感性耦合:在干扰源与干扰对称之间存在着互感而产生,干扰量是变化的磁场,即变化的电流di/dt。
    10  辐射干扰耦合形式:
  • 差模辐射:电流在信号环路中流动产生,PCB主要产生差模辐射(磁场、电感产生磁场)
  • 共模辐射:由于导体的电位高于参考电位产生,线缆主要产生共模辐射(电场、电容产生电场)
    11 电场和磁场磁场:导体上的电流产生磁场,磁场强度单位:A/m;电流产生磁场,变化的磁场产生电流。

电场:导体之间的电压产生电场,电场强度单位:V/m

    12 波阻抗    电磁场包括电场和磁场,电场有电场强度,磁场有磁场强度。电磁场中的电场强度和磁场强度的比例并不是固定的,有些电磁场中的电场强些,有些电磁场中的磁场强些。    我们用电场强度与磁场强度的比值来表征一个电磁场,这个比值叫做波阻抗,用ZW表示。    波阻抗与辐射源有关系,很好记,辐射源是低阻抗,产生的电磁波也是低阻抗,反之亦然。
    波阻抗还与观测点到辐射源的距离有关,当距离大于波长的1/6时,无论辐射源阻抗是多少,波阻抗都是377欧;我们称与辐射源之间的距离小于1/6波长的范围为近场区,大于1/6波长的更远处为远场区。

好了,海翎光电的小编就介绍到这里。参考的书籍列在下面了
参考书籍:EMC电磁兼容设计与测试案例分析电磁兼容(EMC)设计与测试

作者: 武汉海翎光电, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3986637.html

版权声明:本文为博主原创,未经本人允许,禁止转载!

文章评论2条评论)

登录后参与讨论

木头匣子 2023-2-9 00:44

很有帮助

自做自受 2023-2-7 13:12

电磁兼容(EMC)十分必要!有标准,但是做到很难!难的不是科技,而是成本,这个难题,无解!
相关推荐阅读
武汉海翎光电 2024-03-15 10:29
国军标GJB150A霉菌试验解读
电子产品长霉的危害    食品长霉就坏了,不能吃了,而电子产品长霉有哪些危害呢?    第一,霉菌吞噬营养物质会直接分解材料,时间长了会造成产品结构破...
武汉海翎光电 2023-07-07 17:30
TSN交换机有望成为下一代工业网络通信核心设备
    TSN即Time-Sensitive Networking,中文名为时间敏感网络,是从传统以太网网络中衍生出来的一种技术,是指在非确定性以太网中实现确定性最小时间...
武汉海翎光电 2023-07-07 17:26
虚拟交换机工作原理
    在信息化技术不断发展下,虚拟化网络逐渐呈现出具有巨大的发展潜力。相较于传统交换机来说,虚拟交换机在各方面都存在巨大优势,未来通信行业中虚拟交换机技术的应用势在必行。那么您了...
武汉海翎光电 2023-07-07 17:23
PHY芯片快速深度理解
摘要:什么是phy为什么要熟悉RJ45网口网络七层协议两个模块进行通信什么是MDIO协议MDIO的作用 MDIO没那么重要MDIO读写时序为什么说读取的phy最多32个什么是phy物理层芯片...
武汉海翎光电 2023-07-07 17:16
GPIO基本知识
    GPIO是通用输入/输出端口的简称,是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接,可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。那STM32引脚是...
武汉海翎光电 2023-07-07 17:12
千兆交换机?万兆交换机?它们有什么区别?
   随着用户对数据传输速率的要求的不断提高,交换机的发展经历了百兆、千兆、万兆到现在的25G、100G、200G甚至是400G交换机,不过千兆交换机和万兆交换机在以太网布线中也发...
EE直播间
更多
我要评论
2
14
关闭 站长推荐上一条 /6 下一条