EMC测试及整改对策

智能服务机器人EMC测试及对策东莞信测科技有限公司EMC实验室Alan•EMC即电磁兼容：EMC是英文ElectromagneticCompatibility的缩。•在我们生活、工作的环境中，时时刻刻都存在着各种各样的电磁能量，这些电磁能量可能会使电子设备的运行产生不应有的响应。我们把电磁能量对电子设备的这种影响称之为电磁干扰。电磁兼容就是研究电磁干扰的一门技术，对电磁兼容通俗的解释是：•这种技术的目的在于，使电气装置或系统在共同的电磁环境条件下，既不受电磁环境的影响，也不会给环境以这种影响。换句话说，就是它不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。•电磁环境：即系统或设备的工作环境。即使相同种类的设备也可能运用在不同的电磁环境中，对于应用在不同环境中的设备，对它们的电磁兼容要求也可能不是一样的。离开了具体的电磁环境，谈电磁兼容没有什么实际意义。EMC=EMI(电磁干扰）+EMS(电磁敏感度）EMI电磁干扰：即处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所要求的电磁能量；测试项目：CE(传导);RE（空间辐射);Harmonic(谐波)；Flicker(电压波动)。EMS电磁敏感度：即处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，或者说设备或系统对于一定范围内的电磁能量不敏感，能按照设计性能保持正常的运行测试项目：ESD(静电)；EFT(快速瞬变脉冲群)；SURGE(浪涌冲击)；C/S（传导骚扰抗扰度）；R/S(辐射抗扰度)；DIPS(电压跌落与短时中断)；PFMF(工频磁场，带有霍尔元器件)EMC测试部分欧盟CE认证要求EMC认证标准：EN55022-信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法EN55024-信息技术设备抗扰度限值和测量方法EN61000-3-2-谐波电流发射限值EN61000-3-3-电压波动和闪烁的限值测试项目：EMI+EMS测试电压：230V50HzEMC测试部分美国FCC认证要求申请项目：FCC-VOC测试项目：CE(传导);RE（空间辐射）测试电压：AC120V60Hz测试标准:FCCPART15BEMI测试各项目简介•传导骚扰测量方法（150KHz-30MHz)•发射限值对沿导线传播的电磁骚扰进行符合性试验•骚扰类型：共模；差模；•差模电压主要在电源网络上测量，共模电压（或电流）主要对信号和控制线进行测量。EMI测试项目•空间辐射•测试频率：30MHz-1GHz•测试场地：3m或10m半电波暗室•接收天线：周期对数天线，测试垂直和水平两个极化EMS测试项目性能判定等级：A在制造商、申请方或购买方所规定正常性能的范围内；B在骚扰停止后，功能暂时性丧失或性能降低的现象停止，并且无需操作人员介入，即能自动恢复到正常情况。C功能暂时性丧失或性能降低的现象需由操作人员介入才能恢复；D由于硬件或软件的损坏、数据丢失，功能丧失或性能降低的现象不能恢复。EMS测试项目•ESD静电•静电放电：具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移•评估电气和电子设备遭受来自操作者和对邻近物体的静电放电时的性能•对于不带地线的产品需用两端串有470KΩ电阻的接地放电线，边测试边放电，以免电荷积累，产生倍压。•接触放电（4KV)是首选的试验方法，对机壳的每一可触及的金属部件（不包括接线端）进行20次放电（正负极各为10次）。在不能进行接触放电的部位可使用空气放电(8KV)，放电施加于水平或垂直耦合的平面上•注：“可触及的”是指包括用户维修在内的正常工作情况下的可触及。•气候条件•温度：15℃~35℃•湿度：30%~60%•大气压力：86kPa~106kPa•性能判定等级：B•测试图片EMS测试项目•EFT/B电快速瞬变脉冲群•为了验证电气和电子设备对来自切换瞬态过程（切断感性负载，继电器触点弹跳等）各种类型瞬变骚扰的抗扰度•重复性快速瞬变实验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口，信号和控制端口的试验。试验的要点是瞬变的短上升时间，重复率和低能量•试验电压：1kV（峰值）•上升时间/持续时间：5/50ns•重复频率：5kHz•性能判据：BEMS测试项目•Surge浪涌（冲击）•浪涌（冲击）：沿线路传送的电流，电压或功率的瞬态波。其特性是先快速上升后缓慢下降•设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）的抗扰度要求，目的是建立一个共同的基准以评定设备在遭受来自电力线和互联线上高能量骚扰时的性能。•测试波形：组合波，产生1.2/50us的电压浪涌（开路状态下）和8/20us的电流浪涌（短路情况），此时信号发生器的等效输出阻抗为2Ω。•试验电压：线-线1KV线对地2KV•性能判断：B•测试图片EMS测试项目•R/S辐射抗扰度•电磁辐射，例如操作维修人员及保安人员使用的小型手持无线电对讲机、固定的无线电广播发射机、电视台的发射机、车载无线电发射机以及各种工业电磁源均会频繁地产生射频电磁辐射，影响电子设备的工作。•测试频率：80MHz~1GHz•3V/m实验场强用1kHz的正弦波对未调制信号进行深度为80%的幅度调制•目的：是模拟语音对载波信号的幅度调制。•实验场地：全电波暗室•性能判据：A•测试照片EMS测试项目•C/S传导骚扰抗扰度•设备对来自9KHz~80MHz频率范围内射频电磁骚扰的传导骚扰抗扰度要求，设备至少通过一条连接线缆（如电源线，信号线，地线等）与射频场相耦合，实际实验频率通常采用150KHz~80MHz.•3V(rms,未调制）调幅幅度80%AM(1KHz正弦波）•性能判据：A•测试图片EMS测试项目•DIPS电压跌落与短时中断和电压变化•电压暂降：在电气系统某一点的电压突然下降，经历半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。•短时中断：供电电压消失一段时间，一般不超过1min.短时中断可以认为是100%幅值得电压暂降。•电压变化：供电电压逐渐变得高于或低于额定电压，变化的持续时间相对周期来说，可长可短。•是由电网，电力设施的故障或负荷突变出现大的变化引起的•有些设备对电压的渐变比对电压的突变更为敏感，为了保护和存储内部存储器的数据，大多数数据处理设备装有内置式断电检测器，以便在电源电压恢复后，设备按正确的方式启动。•测试图片EMS测试项目•PFMF工频磁场•设备所处于的磁场可能影响设备和系统的可靠性•工频磁场是由导体中的工频电流产生的，或极少量的由附近的其他装置（如变压器的漏磁通）所产生。•试验磁场波形为工频正弦波形•性能判定等级：A•该测试仅适用于包含易受磁场影响元器件的设备，如霍尔元件或磁场传感器。•测试时，EUT放置在环的中心位置，分别测试XYZ三相位的抗扰度。•针对机箱端口抗扰度50HZ或60Hz，1A/m(rms)•该测试仅适用于包含易受磁场影响元器件的设备，如霍尔元件或磁场传感器。•测试图片EN61000-3-2/-3谐波电流/电压波动和闪烁•谐波电流:将非正弦周期性电流函数按傅立叶级数展开时，其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称。谐波电流也是其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称。•一般来说,理想的交流电源应是纯正弦波形,但因现实世界中的输出阻抗及非线性负载的原因,导致电源波形失真,如(图一).若电压频率是60Hz,将失真的电压经傅立叶转换分析后,可将其电压组成分解为除了基频(60Hz)外,倍频(120Hz,180Hz,…..)成份的组合.其倍频的成份就称为谐波:harmonic.而近年来整流性负载的大量使用,造成大量的谐波电流,也间接污染了市电,产生电压的谐波成份.另外一些市售的发电机或UPS本身输出电压就非纯正弦波,甚至有方波的情形,失真情形更严重,所含谐波成份占了很大的比•电压波动：一系列电压变动或连续的电压偏差•大功率的装置运行会导致电网电压的波动，电压波动和闪变的危害表现在:①照明灯光闪烁，引起人的视觉不适和疲劳，影响工效;②电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度摇动;③电动机转速不均匀，影响产品质量;④使电子仪器、电子计算机、自动控制设备等工作不正常;⑤影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。•测试图片EMC整改设计机器人带外置适配器给内置电池充电功能，解决适配器EMC的问题，可以让EMC认证事半功倍，建议找通过EMC认证及测试的适配器供应商提供。机器人内置电池供电工作状态需要测试的项目：RE(空间辐射）；ESD(静电）；R/S(辐射抗扰度）。这三个测试项目比较容易出现问题，接下来将重点放在这三个项目的整改设计对策上。•机器人产品容易产生电磁辐射干扰源的重要部位及整改前期注意事项•一，伺服舵机，可分带碳刷的直流电机和无刷电机，无刷电机电磁辐射由于不像带碳刷的电机，工作时不会产生火花，电磁辐射不会很大，主要干扰源可能来自马达驱动控制部分的晶体三极管或场效应管，整改对策可以在管脚上预留贴片磁珠的位置。带碳刷的直流电机由于运行会产生火花，其电磁辐射的干扰还是存在的，整改对策可以在电机的正负极之间和正负极对电机金属外壳地各并104贴片电容，在正负极上串贴片电感（10-30uH）来解决舵机带出的干扰。•NOTE:设计前期可以将舵机单独做空间辐射项目的预测试，测试通过则不必考虑以上预留滤波元器件的位置。•二，摄像头，•摄像头的CLK时钟信号空间辐射超标的可能性很大，主要整改对策•1，摄像头时钟上使用滤波，滤除高频噪声；采用YUV方式传输，MCLK、PCLK都采用串磁珠或电阻和对地电容；采用MIPI差分传输,差分对时钟用贴片共模电感。（参数的选取，可以在后期实验中进行调整，前期预留滤波元件的位置出来）•2，摄像头时钟上增加展频IC。（成本可能比较高）•3，屏蔽摄像头排线，屏蔽层要接地。•4，在摄像头塑料外壳内部喷涂导电漆，将摄像头主PCB板上的地与导电漆接触良好，使整个摄像头屏蔽。•5，结构设计时要尽可能缩短摄像头排线，PCB设计要优先布局和布线，布线时避免太多的过孔，避免出现锐角和直角，尽量使用圆弧走线，走线尽量短。•6,紧靠完整的参考平面布线，以保证其有最小的信号回路和连续的阻抗，优选两地平面之间。•7，差分信号线应同层、等长、并行走线，保持阻抗一致，差分线间无其它走线。这样保证差分线对地共模阻抗相等，提高其抗干扰能力。•8，时钟两侧建议包地线。•三DC电源充电部分•主要干扰源为DC/DC电源模块，预防这个模块的辐射干扰，可以在DC/DC及升降压IC或驱动MOS脚位的供电脚和电源输出脚增加π型滤波，π型滤波的方式为一颗贴片磁珠和磁珠两端对地的贴片电容，磁珠的参数可选100MHz10-30欧姆，参数的调整可以在后期预测试时进行调整，前提条件是，这些滤波措施不能影响效率和温升；在二极管的正极或负极上预留串贴片磁珠的空位，或者可以找可通过EMC测试的DC/DC方案公司提供。•四主板CPU驱动控制部分•这个部分是敏感元器件，关键数据，时钟信号密集的部分，也是ESD静电和RE空间辐射比较容易出现问题的地方，在后面会讲到一些这个部分的整改方法。目录•一.EMC整改设计的3大手法•二.静电放电抗扰度试验的要点及其对策•三.射频辐射电磁场抗扰度试验的要点及其对策EMC整改的定义:是指产品在功能调试或EMC测试过程中出现问题后所采取的弥补手法。EMC整改与EMC设计的差异：出现问题后→EMC整改运用EMC手法抑制潜在问题，使问题不出现→EMC设计什么是EMC整改？•屏蔽•滤波•接地一、EMC整改设计的3大手法EMC屏蔽设计•屏蔽就是以金属隔离的原理来控制某一区域的电场或磁场对另一区域的干扰。•它包括两个含义：一是将电路、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止电磁干扰向外扩散；二是用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁干扰的影响。常见的屏蔽材料种类及使用•铜箔•铝箔•导电布以上三种材料主要用于孔缝的填堵屏蔽，以及干扰发射源部件的屏蔽，如：变压器、电感等。•金属铁壳常用于屏蔽IC、晶振等高速