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四种方法帮你排除电磁兼容测试故障

2021-09-25 16:43:51

引言


其实大多工程师所了解的电磁兼容性一般来说就是:设备或体系在其电磁环境中能正常作业,且不对该环境中任何事物构成不能接受的电磁打扰的才能。EMC测验包括两大方面内容:对其向外界发送的电磁打扰强度进行测验,以便承认是否符合有关规范规定的限制值要求;对其在规定电磁打扰强度的电磁环境条件下进行灵敏度测验,以便承认是否符合有关规范规定的抗扰度要求。关于从事单片机运用体系规划的工程技能人员来说,掌握必定的EMC测验技能是非常必要的。


1、单片机体系EMC测验


(1)测验环境


为了保证测验结果的精准和可靠性,电磁兼容性测量对测验环境有较高的要求,测量场地有室外开阔场地、屏蔽室或电波暗室等。


(2)测验设备


电磁兼容测量设备分为两类:一类是电磁搅扰测量设备,设备接上恰当的传感器,就能够进行电磁搅扰的测量;另一类是在电磁灵敏度测量,设备模仿不同搅扰源,经过恰当的耦合/去耦网络、传感器或天线,施加于各类被测设备,用作灵敏度或搅扰度测量。


(3)测量办法


电磁兼容性测验依据规范的不同,有许多种测量办法,但归纳起来可分为4类;传导发射测验、辐射发射测验、传导灵敏度(抗扰度)测验和辐射灵敏度(抗扰度)测验。


(4)测验预备


①实验场地条件:EMC测验实验室为电波半暗室和屏蔽室。前者用于辐射发射和辐射灵敏测验,后者用于传导发射和传导灵敏度测验。


②环境电平要求:传导和辐射的电磁环境电平zui好远低于规范规定的极限值,一般使环境电平至少低于极限值6dB。


③实验桌。


④测量设备和被测设备的阻隔。


⑤灵敏性判别准则:一般由被测方供给,并真话监督和判别,以测量和调查的办法确定功用下降的程度。


⑥被测设备的放置:为保证实验的重复性,对被测设备的放置办法通常有详细的规定。


(5)测验品种


传导发射测验、辐射发送测验、传导抗扰度测验、辐射抗扰度测验。


(6)常用测量仪


电磁搅扰(EMI)和电磁灵敏度(EMS)测验,需求用到许多电子仪器,如频谱分析仪、电磁场搅扰测量仪、信号源、功用放大器、示波器等。由于EMC测验频率很宽(20Hz~40GHz)、起伏很大(μV级至kW级)、模式许多(FM、AM等)、姿势许多(平放、斜放等),因而正确地运用电子仪器非常重 要。测量电磁搅扰的适宜仪器是频谱分析仪。频谱分析仪是一种将电压起伏随频率改变的规则显示出来的仪器,它显示的波形称为频谱。频谱分析仪克服了示波器在测量电磁搅扰中的缺点,能够精准丈量各个频率上的搅扰强度,用频谱分析仪能够直接显示出信号的各个频谱重量。


在解决电磁搅扰问题时,zui重要的一个问题是判别搅扰的来历。只有精准将搅扰源定位后,才能够提出解决搅扰的措施。依据信号的频率来确定搅扰源泉是zui简略的办法,因为在信号的一切特征中,频率特征是zui安稳的,而且电路规划人员往往对电路中各个部位的信号频率都非常清楚。因而,只要知道了搅扰信号的频率,就能够推测出搅扰是哪个部位发生的。关于电磁搅扰信号,由于其起伏往往远小于正常作业信号,用频谱分析仪做这种测量是非常简略的。由于频谱分析仪的中频带宽较窄,因而能够将与搅扰信号频率不同的信号滤除掉,精准地测量出搅扰信号频率,从而判别发生搅扰信号的电路。 


2、电磁兼容故障排除技能


(1)传导型问题的解决


①经过串联一个高阻抗来削减EMI电流。


②经过并联一个低阻抗将EMI电流短路到地或引到其它回路导体。


③经过电流阻隔设备堵截EMI电流。


④经过其自身作用来按捺EMI电流。


电磁兼容测试


(2)电磁兼容的容性解决方案


一种常见的现象是不把滤波电容的一侧当作直接与一个分离的阻抗相连,而当作与传输线相连。典型的状况是,当一条输入输出线的长度到达或超越1/4波长时,该传输线变“长”。实践能够用下式近似表明这种改变:l ≥ 55/f


式中:l单元为m,f单位为MHz。这个公式考虑了平均传播速度,它是自由空间理论的0.75倍。


a. 电介质材料及容差:电磁搅扰滤波运用的大部分电容是无极性电容


b. 差模(线到线)滤波电容性电容


c. 共模(线到地/机壳)滤波电容


共模(CM)去耦通常运用小电容(10~100nF)。小电容能够将不期望的高频电流在其进入灵敏电路之前或在其离噪声电路较远时就将其短路到机壳上去。为了得到杰出的高频衰减电路,减小或消除寄生电感是要害之地点。因而有必要运用超短导线,尤其期望运用无引线元器件。


(3)理性、串联损耗电磁兼容解决方案


就电容而言,Zs和Z1假如不是纯电阻的话,在核算频率时,要运用它们的实践值。电容器串联在电源或信号电路时,有必要满足:


①流过的作业电流不应该引起电感过热或过大的有过之而无不及降;


②流过的电流不能引起电感磁饱和,尤其是对高导磁材料是毫无疑问的。


解决方案有以下几种:


磁芯材料;


铁氧体和加载铁氧体的电缆;


电感、差模和共模;


接地扼流圈;


组合式电感电容元件。


(4)辐射型问题的解决


在许多状况下,辐射电磁搅扰问题或许在传导阶段发生并被排除,还有些解决方案是能够按捺搅扰设备在辐射传输通道上,就像场屏蔽那样作业。依据屏蔽理论,这种屏蔽的效果首要取决于电磁搅扰源的频率、与屏蔽设备之间的间隔以及电磁搅扰场的特性——电场、磁场或许平面波。


①导体带。运用铜或铝带要吧简略快速地树立一种直接的屏蔽和低阻连连接或总线。它们关于暂时的解决方案和相对长久的解决方案来说是很便利的。厚度在0.035~0.1mm之间,而且背面带有导电黏合剂以便装置。假如运用铜导电带,其经过电阻约 20mΩ/cm2。运用场合:电气屏蔽罩;发生毛病时泄露点定位;作为一个应急的解决方案,将塑料连接器变成金属的、屏蔽一般的扁平电缆等。


②网状屏蔽带和拉链式外套。涂锡的钢网带:首要用来装置在一个已经装置好的电费护套上作为一种易装置的绷带型的屏蔽罩。为了下降电费的磁场辐射或灵敏问题,钢网带是一种有用的解决方案。


拉链式屏蔽外套:当有明显痕迹表明电费是首要的引起EMI耦合的原因时运用。


③EMI密封垫。运用场合:当下述条件存在,而且需求真实的SE时,EMI密封垫是zui常用的解决辐射问题、灵敏问题、ESD、电磁脉冲和TEMPEST问题的办法。


已经把机箱走漏承认为首要的辐射途径。


啮合面不行光滑、平坦或不行硬、自身无法供给杰出的连触摸摸。


④窗口和通风板的EMI屏蔽:合适对孔径的屏蔽。


平面波的大概模型是:SE≈104(-20-lgl)-20lgf


式中,SE单位为dB;l为网格或网孔的尺度,单位为mm;f单位为MHz。当然,随着频率的下降,网孔的屏蔽效率SE的上限受限于金属自身。在近区场,对H场的屏蔽,其屏蔽功率SHE不受频率的影响,可由下式近似得出:SEH≈10lg(πr/l)


其间,r为源到屏蔽罩之间的间隔,l为网孔尺度,两者单位均为mm.


⑤导电涂料:运用于在体系的塑料外壳树立EMI屏蔽罩、发送现有一般的或恶化的导电表面的屏蔽效能SE、避免ESD或静电积累现象、增大结合面或密封垫片的触摸面积。


⑥导电箔:铝是一种良导体,在10MHz以下没有吸收损耗,但它关于电场的任何频率都有较好的反射损耗。运用场合请参阅有关材料。


⑦导电布:可运用于任何100kHz到GHz级频率规模需求到达30~30dB衰减的立体屏蔽场合中。 


3、电磁兼容性新器件新材料的运用


3.1 电源线滤波器


电源线滤波器装置在电源线与电子设备之间,用于拟制电能传输中寄生的电磁搅扰,对进步设备的可靠性有重要作用。滤波器答应一些频率经过,而对其它频率的成份加以拟制。依据搅扰源的特性、频率规模、电压和阻抗等参数及负载特性的要求,恰当挑选滤波器。


3.2 信号阻隔变压器


脉冲型(数字或晶闸管门驱动)或模仿阻隔式变压器与交流电源中运用的阻隔变压器与交流电源中运用的阻隔变压器的原理相同,但传输频带却彻底不同,有用信号处理对变压器的一些功用要求(例如失真、3dB带宽、损耗、对称性、阻抗、脉冲延时等)非常严厉。这种变压器归于宽带设备,zui高频率与zui低频率的比值 fMAX/fMIN到达数十倍。经过在发送端或接纳端堵截共模地环路,阻隔变压器在不改变差模信号的一起拟制共模噪声。由于共模电压是加在变压器一次侧、 二次侧的两头,这种阻隔器有必要具有较高的击穿电压:典型值为1.5kV,某些场合则高达10kV。


信号变压器的首要优点是它的简略、经用、持久和线性,而且价格适中。当频率添加时,其电磁兼容功用下降。


运用场合:


当需求环路阻隔时,其频率规模从直流到几十MHz;


在低噪声和低失真条件下传输模仿小信号(≤10mV)时,信号线上或许存在几V至几kV的共模电压;


在晶闸管运用电路中,将触发器驱动电路与共模电压阻隔;


作为一个现场解决方案,可用来堵截一个地环路和搭建一个平衡连接或非平衡连接传输线路。


3.3 电源阻隔变压器、电源稳压器和不间断电源


(1)电源阻隔变压器


一般的阻隔变压器能够在低频规模堵截主电源线的接地环路。当频率升高时,电气阻隔由于一次侧间存放电容C1-2的存在而下降。为了削减寄生电容的影响,能够运用落系、螺旋状、分立式的一次和二次绕组,这样能够将寄生电容减小为原为的1/3~/10。


(2)法拉第屏蔽变压器


在一次和二次线圈之间包着一层铝箔或铜箔,并使之不与线圈触摸避免形成短路。法拉第屏蔽或静电屏蔽层接地。运用规模如下:


运用于入室电源或电源分配箱上,作为简略1:1的阻隔变压器,阻隔50/60Hz的地环路;


在同一体系中的某一部分重新发生对地坚持中性的交流电源,与总电源分配点坚持电气阻隔;


运用于当体系中存在很大的对地漏电电流时,避免过渡频繁触发体系中的接地毛病检测器;


能够与电源线滤波器结合运用,电源线滤波器的衰减特性仅开始于几十或几百kHz以上。


3.4 暂态按捺器


变阻器和固态变阻器(transzorbs)是具有非线性V-I特性曲线的元件,能够作为稳压元件。当电压经过该器件后就被箝位在等于或大于击穿电压VBR的电压值上。该器件的呼应速度快,但在处理的能量值上有必定限制。


3.5 搭接、接地连续性和削减RF阻抗器件


①接地织造层或金属带宽而扁的导线比相同横截而积的圆导线具有较小的电感。作为优先的挑选参考,能够运用:扁平金属带;带有扁平接地端子的扁平织造层;圆形、多股绞线的跳线。


②印制电路板(PCB)接地垫片。为了树立一个更直接的低阻扰电磁搅扰电流接纳器,需求运用接地垫片。通常在树脂型垫片中间有一个绷簧夹,用以在一边的OV铜板上和加一边PCB的装置底盘上供给较强的可靠压力。由于绷簧是铜锡材料制成的,电气触摸功用杰出,触摸电阻为mΩ数量级。


③金属电费线槽及其肥共的金属织造层。金属电缆托架、公共导线和金属织造层的作用是传输几个相互连接的设备之间的部分接地EMI环流。能够把它看作是不同底盘或地线之间的共模短路通道,但实践上除了直流或交流50/60Hz,这种办法不能运用于较长的间隔;可用于核算机室、工厂车间或其它有许多非屏蔽电费的大型场地,不或许或很难将它们换成屏蔽电费或装入管道。


④地阻抗减小,垫高的金属底板接地衬垫。为了削减传导瞬态搅扰的输入和周围环境射频场对体系的影响,能够经过设置室内参考接地板或接地网络加以改善。经过这种办法,能够很容易地在高达几百MHz的频率上到达20dB的改善,也能够削减在同一个房间里的不同设备之间的地电位误差。


另一种技能:在室内,主张装置举高的金属底板(RMF),使用地砖的筋条作为接地参考栅格;把把塑料减震垫片换成导电减震垫片,就能够树立很好的、持久的电气连接。


⑤暂时接地板。这种后各解决方案开始是IBM公司的装置规划工程师们运用的,即装置一块铜板或电镀钢板。关于那些没有“实践地”的场合,由于暂时接地板与建筑特结构之间有较大的电容(300~1000pF),这给电磁搅扰滤波器、瞬态保护器和阻隔变压器的法拉第屏蔽层供给了有较的吸收设备。在高频端,这种 虚地比长的、绿的或黄绿的接地导线更有用。


4、结语


在实践EMC测验运用中除了经过规范资格实验室的鉴定测验以外,还有两种可行的办法也是被业界所认可的:TCF和Self Ceritification(自检证明)。抗搅扰才能测验是非常实用的测验项目。实现电磁兼容的较好办法是,将一切的数字及模仿电路均视为对高频信号响 应的电路,用高频规划办法来处理电费屏蔽、PCB布线和共模滤波。选用整块地平面和电源面也很重要,对模仿电路也该如此,这样做有利于限制高频共模环环。大多数瞬态搅扰均属高频,并发生很强的辐射能量。


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