电气或电子设备电磁兼容测试方法及应对策略

本文简述了电气和电子设备电磁兼容性能测试的几方面内容及应对策略。电气和电子设备电磁兼容测试主要包括五大方面内容：①静电放电抗扰度测试；②电快速瞬变脉冲群抗扰度测试；③浪涌（冲击）抗扰度测试；④电压暂降和短时中断抗扰度测试；⑤EMC射频传导抗扰度测试。这五项测试结果基本能反映被测试电气和电子设备的电测兼容性能，即自身抗电磁干扰能力。一、静电放电抗扰度测试1、静电的危害从本质上讲,静电放电是指带电体周围的场强超过周围绝缘介质的击穿场强时,因介质产生电离而使带电体上的电荷部分或全部消失的现象。相对被研究的物体来说,静电放电（ESD）可以分为直接放电和间接放电。直接放电产生的直接损伤是由于静电放电电流产生的焦尔热形成热效应或静电荷产生的电场通过电容耦合感应电压而导致的电介质击穿。间接损伤则是由间接放电时辐射电磁场形成的瞬态电磁干扰或损伤。目前，静电放电产生的电磁干扰源对电子产品来说是一种重要的危害源。静电带电体周围形成的强电场可以使MOS场效应器件栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿,造成电路失效；ESD辐射场多次辐照可在半导体器件中造成潜在失效，导致电路和设备可靠性降低；此外，快速瞬变的电磁场可以在电路中感应电压，在低压电路中形成过电压或过电流导致电子设备的损伤。电磁脉冲场直接作用于LCM的驱动芯片，就会形成逻辑干扰、硬损伤或潜在失效。其表现为驱动IC被死锁、强制复位、乱码显示等情况，严重的会彻底损坏。2、测试方法测试依据：GB/T17626.2-2006。对防护壳的外露螺钉、机壳导电面进行接触放电。放电电平依据实验等级确定，用1次/秒的方式,对怀疑放电点至少进行10次放电。对操作者在使用中可触及的操作面板、操作按键等进行空气放电。放电电平依据实验等级确定，先用20次/秒的方式先预扫放电一遍。再对怀疑放电点以1次/秒进行10次放电。测试简图如图1所示。图1静电放电抗扰度测试简图3、应对策略电磁能量的传输方式有两种:传导传输方式和辐射传输方式。因此,从被干扰的敏感器件或设备来看,电磁能量的藕合可分为传导耦合和辐射耦合两类。传导传输是指在电磁源和敏感器件之间有完整的电路连接时,电磁信号沿着连接电路传递到敏感器件而发生作用。根据连接电路的不同,传导耦合可分为三类:电阻性耦合、电容性耦合、电感性耦合。辐射传输是通过空间以电磁波的形式向周围空间辐射能量。针对这两种传输方式，静电防护手段主要有屏蔽、滤波、接地、端口增加防护网络等。1）屏蔽所谓屏蔽是用导电或导磁体的封闭面将内外两侧空间进行的电磁性隔离。金属屏蔽体对电磁场的屏蔽原理主要是反射和吸收作用。由于电磁波在空间传播的波阻抗和在金属中的波阻抗相差很大,因此电磁波到达空间和金属界面时会产生反射。电磁波在穿透屏蔽中的能量损耗主要是由涡流引起。对辐射电磁脉冲场来说,屏蔽是一种十分有效的防护方法。但是,静电放电电磁脉冲做为一种近场危害源,有其自身的特点,因而对屏蔽提出了一定的要求。①静电放电辐射场近场中既有较高的电场峰值,同时也有较高的磁场峰值,而且具有极宽的频率范围,因此对静电放电电磁脉冲场的屏蔽应为电磁屏蔽。这就要求屏蔽体的材料既要有较好的电导率,同时还要有较好的磁导率,通常采用组合屏蔽,可用铁镀铅锡合金、铁镀铜或铁镀铜再镀银等,也可静电放电模拟器受试样品接地参考平面以把铜皮一铁皮一铜皮紧紧接合在一起,构成组合屏蔽技术。在单层屏蔽增加屏蔽层厚度不能满足要求时,还可以用采用双层屏蔽。双层屏蔽时,两层之间必须隔离绝缘,否则起不到双层屏蔽的作用,靠近源的屏蔽层应采用稍低磁导率,高饱和电平的材料,以避免磁饱和,而第二层则采用高磁导率的材料。通常内屏蔽及印制电路板浮地,必要时内屏蔽可以采用静电接地,外屏蔽体必须有效地接系统地。②由于静电放电产生的电磁脉冲场具有宽频带特性,这就意味着它能通过较小的孔缝耦合到屏蔽体内,对内部的电子线路形成干扰。因此,要求屏蔽体有较高的屏蔽完整性。由于电源及信号的输入输出或出于散热等的需要,电子设备总会出现一些孔缝,这些缝隙会破坏了屏蔽体的完整性。为此,应采取相应措施。对于孔洞可用金属帽、金属网、凿孔金属板盖上,为了保证良好接触即减小缝隙,应清除绝缘涂覆层,可用螺钉、螺栓或铆钉等紧固,必要时连续熔焊或铜焊,加弹性垫片或EMI型衬垫(防电磁垫圈)。此外,还应合理安排内部电子线路的布置,并与接地、滤波等措施结合起来使用。在进入屏蔽体的入口处,采用穿心电容、加装磁心、滤波器等方式消除电磁干扰。穿心电容和磁珠对高频噪声能有效地抑制,也可以将两者结合起来使用。2）端口防护在被保护对象之前并联一组保护电路或器件,当电路中出现因电磁脉冲耦合产生的瞬态过电压时,保护电路先行击穿,吸收电磁脉冲的大部分能量并转化为其它形式,将被保护元器件两端的电压控制在其能承受的范围内。静电放电瞬态电磁脉冲源的特点是:上升沿极陡,频谱极宽;幅值很高;作用时间短,峰值功率很大。因此,瞬态电磁脉冲引起的过电压保护器件必须有极快的响应速度、较高的耐压能力和较大的通流量,同时还应具有自恢复能力。从响应特性来看,过电压保护器件有硬响应特性和软响应特性元件两种。硬响应特性元件在工业CE标准中称为电压开关型。这种保护器件在没有过电压时呈现出高阻抗,但一旦响应瞬态过电压时其阻抗就突变为低值,它又称为“克罗巴型”。如火花隙和气体放电管(GDTs)。由于此类元件开关电压较高,一般用于电气设备中。软响应特性元件称为限压型(或箱压型)。当没有瞬态过电压时为高阻抗,但随电涌电压和电涌电流的增加其阻抗会不断地减小,常用的元件有齐纳二极管、压敏电阻(MOV)、瞬态抑制二极管(TVS)和电流型硅浪涌保护器件(CSSPD)。这类防护器体积相对较小,箱位电压低,多用于电子电路中对低压CE的保扩。下面介绍常见的几种过电压防护器件。①瞬态抑制二极管（TVS）TVS是一种Pn结器件,它是由从事电压瞬变防护工作30年的美国学者RichardVnoBarandy(现任ProtekAdviees公司总裁)发明。该器件是利用pn结正向压降和反向雪崩的特性制成的,有单向和双向之分。当瞬变电压超过其击穿电压时,其反向击穿时呈典型的Pn结雪崩击穿特性,阻抗立即降至很低的导通值,允许大电流通过,并将电压钳位到预定水平,从而有效地保护电子线路的元器件,防止烧毁或损坏。TVS的最大优点是钳位系数小。钳位系数越小,防护瞬变电压和浪涌的效果越好。此外,它还有体积小,响应时间极短(可达ps数量级)的优点,而且内阻非常小,可以把残压限制到很小的范围内。目前国外已开发2.8/3.SV低压TVS,以适应低压微处理器和CI的防护。因此,TVS二极管有着非常广泛的应用范围,在各种电路、传输线路及电器设备中,都可用作瞬态过电压保护。它的缺点是电容量较大。选用时,主要是参考其工作电压、响应速度及峰值功率。②硅双向浪涌吸收器(DSSA)其主要特点是：(a)具有双向浪涌吸收特性,将一只DSSA并接于被保护设备的输入信号线之间,则可吸收来自任一信号线上的瞬变过电压。(b)电容量小,对数据接口电路的信号衰减很小。(c)浪涌电流容量大,从50A可到20OA。(d)瞬态过电压响应速度快,与TVS一样,为皮秒数量级。(e)导通电压降小,浪涌吸收效果优异,与MOV和TVS相比,它由阻断跃变为导通之后几乎相当于短路。(f)采用玻璃钝化工艺,具有很高的可靠性。二、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试1、电快速瞬变脉冲群的危害电快速瞬变脉冲群是由电感性负载（如继电器、接触器等）在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态骚扰。当电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。这种暂态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。电快速瞬变脉冲群试验的目的就是为了检验电子、电气设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。重复快速瞬变试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。因此，该项目测试适用于那些交流市网供电的电子电气产品。对那些由公共的长直流电源线供电的电子电气产品和那些有电信端口和长的控制、信号端口的电子电气产品的相应端口也应进行该项目测试，因为这些长的交/直流电源线和信号控制线在工作时可能会感应到周围的设备产生的电快速瞬变脉冲干扰；同时，与公共的交/直流供电网络共用电源的其他设备可能会产生电快速瞬变脉冲干扰传输到公共供电网络，干扰同一供电网络的其他设备。对那些不含电子电路的电气设备，有些产品标准可能认为其肯定可以通过电快速瞬变脉冲群抗扰度测试，因此不再对其提出电快速瞬变脉冲群抗扰度测试要求。电快速脉冲对设备影响的原因有三种。1）通过电源线直接传导进设备的电源，导致电路的电源线上有过大的噪声电压。当单独对火线或零线注入时，在火线和零线之间存在着差模干扰，这种差模电压会出现在电源的直流输出端。当同时对火线和零线注入时，仅存在着共模电压，由于大部分电源的输入都是平衡的（无论是变压器输入，还是整流桥输入），因此实际共模干扰转变成差模电压的成分很少，对电源的输出影响并不大。2）干扰能量在电流线上传导的过程中，向空间辐射，这些辐射能量感应到邻近的信号电缆上，对信号电缆连接的电路形成干扰（如果发生这种情况，往往会在直接向信号电缆注入试验脉冲时，导致试验失败）。3）干扰脉冲信号在电缆（包括信号电缆和电源电缆）上传输时产生的二次辐射能量感应进电路，对电路形成干扰。2、测试方法测试依据：GB/T17626.4-2008。分别对电源线、信号线、控制线施加一定等级的电快速瞬变脉冲群，受试设备应能正常工作。测试简图如图2、图3所示。图2电源线电快速瞬变脉冲群抗扰度测试简图图3信号线、控制线电快速瞬变脉冲群抗扰度测试简图3、应对策略1）针对电源线试验的措施解决电源线干扰问题的主要方法是在电源线入口处安装电源线滤波器，阻止干扰进入设备。快速脉冲通过电源线注入时，可以是差模方式注入，也可以是共模方式注入。对差模方式注入的一般可以通过差模电容（X电容）和电感滤波器加以吸收。若注入到电源线上的电压是共模电压，滤波器必须能对这种共模电压起到抑制作用才能使受试设备顺利通过试验。下面是用滤波器抑制电源线上的电快速脉冲的方法。①设备的外壳是金属的情况电快速瞬变脉冲群发生器受试样品接地参考平面电源线≤1m10cm受试样品接地参考平面耦合夹受试样品电快速瞬变脉冲群发生器这种情况是最容易的。因为外壳是金属的，它与地线面之间有较大的杂散电容，能够为共模电流提供比较固定的通路。这时，只要在电源线的入口处安装一只含有共模滤波电容的电源线滤波器，共模滤波电容就能将干扰旁路掉，使其回到干扰源。由于电源线滤波器中的共模滤波电容受到漏电流的限制，容量较小，因此对于干扰中较低的频率成分主要依靠共模电感抑制。另外，由于设备与地线面之间的接地线具有较大的电感，对于高频干扰成分阻抗较大，因此设备接地与否对试验的结果一般没有什么影响。除了选择高频性能良好的滤波器以外，在安装滤波器时，注意滤波器应靠近金属外壳上的电源入口处，防止电源线二次辐射造成的干扰。②设备外壳是非金属的情况如果设备的外壳是非金属的，必须在外壳底部加一块金属板，供滤波器中的共模滤波电容接地。这时的共模干扰电流通路通过金属板与地线面之间的杂散电容形成通路。如果设备的尺寸较小，意味着金属板尺寸也较小，这时金属板与地线面之间的电容量较小，不能起到较好的旁路作用。在这种情况下，主要靠电感发挥作用。此时，需要采用各种措施提高电感高频特性，必要时可用多个电感串联。2）针对信号线、控制线试验应采取的措施快速脉冲通过信号/控制线注入时，由于是采用容性耦合夹注入，属共模注入方式。①信号电缆屏蔽从试验方法可知，干扰脉冲耦合进信号电缆的方式为电容性耦合。消除电容性耦合的方法是将电缆屏蔽起来，并且接地。因此，用电缆屏蔽的方法解决电快速脉冲干扰的条件是电缆屏蔽层能够与试验中的参考地线面可靠连接。如果设备的外壳是金属的并是接地的设备，这个条件容易满