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针对各项军标EMC试验的达标技术

2019-08-22  来自: 上海海悦电子科技有限公司 浏览次数:93

 电磁干扰的物理本质是电磁场的相互作用。从理论上来讲,有关电磁场的任何问题,都可以通过求解Maxwell方程组来得到精确的解答。但大多数军工电子设备由数量众多的结构件和电子元件组成,电磁场的空间分布非常复杂,此,在求解Maxwell方程组时无法得到足够精确的、与现实环境相一致的边界条件。而众所周知,数学物理方程的解是强烈地依赖于边界条件的。只要在理论计算中假定的边界条件与实际分布有细微的差别,计算得出的结果就可能变得毫无意义。在这样的情况下,实用经验仍然在军工电子设备EMC设计中起着相当重要的作用。


军标EMC试验


GJB151A.97标准所列出的全部19项EMC试验中,有5项和天线有关。如果被测试的不是无线通信类设备,这5项一般不需要做。CS109和RS105这2项试验通常做得较少。余下的12项试验,按其性质可分成4类:传导发射类试验、传导敏感度类试验、辐射发射类试验、辐射敏感度类试验。以下针对这4类电磁兼容性试验项目,以测试达标为目的,介绍一些经实践证明有效的设计准则和经验。

3.1 传导发射类试验

传导发射类试验包括CE101、CE102、CE107。前2项属于电源线常规传导发射试验,都是测试EUT传导发射到电源线上的信号,区别是所测试的传导发射频段不同;后1项测试EUT从电源线传导发射出的尖峰信号。这3项传导发射试验所针对的都是EUT电源对环境的干扰,要求必须在规定值之下,以防止任何1台设备经由共用电源去干扰其他设备。

EUT的电源线传导发射信号有2个来源:来自EUT的功能电路和来自EUT的电源电路。在电源电路里阻断EMI信号的传导发射,主要手段是隔离和滤波。如果EUT是交流供电的,zui简单的隔离方法是采用具有屏蔽隔离层的电源变压器,对于低频段的EMI有较强的隔离功能。

在直流供电的情况下,为达到隔离的目的,要使用输出和输入不共地的DC/DC变换器。但DC/DC变换器采用脉宽调制技术,本身就是一个干扰源,因此,选型十分重要,应尽量选用低EMI的DC/DC变换器。

电源进线处的滤波器必不可少。由于该滤波器为对称无源电路结构,能够起到双向隔离滤波作用,不仅能阻挡外来干扰进入EUT,同时也防止内部干扰传向外部。但电源滤波器主要用于滤除高频段的干扰,对低频段干扰基本无效。

电源电路的输出滤波也很重要。对于功率型的电子设备,当负载功率变化时,造成电源供电变化,进而造成外部线上电源波动。如果这个波动的频率超过25 Hz且幅度过大,CE101就不能达标。在电源电路的输出端并联大容量滤波电容器,利用电容的储能作用,能够使电源波动平滑化。只要把电源波动的频率降到25 Hz以下,就可避开CE101试验频率的下限使试验达标。对于信号型的电子设备,前端电路通过电源传出去的干扰信号能量主要集中在高频段,要使用高频性能优良的小容量滤波电容器。又因为稳压电源输出端的交流等效阻抗很低,单纯并联电容的滤波效果不明显,所以还要结合采用串联电感的方法来提高高频阻抗,增强滤波电容的旁路效果,以滤除高频干扰。

采用这些方法,参照EUT的功率、工作频率来选定所用抗干 扰 器件的参数,就能使CE101和CE102试验项目达标。

CE107项目测试电源线尖峰信号对外的传导发射干扰。电子设备工作时可能产生各种类型的尖峰干扰信号,但从传导功率的强度和对共用电源的影响方面来考虑,EUT的电源开关是尖峰干扰的一个主要来源。如在某工程的一次多设备EMC联合测试时,发现每当某设备启闭电源时,都会造成邻近的另一台设备死机。检查结果发现前一台设备未通过CE107试验,影响了相邻设备。可使CE107达标的办法较多,可在电源开关上并联尖峰干扰吸收电路,或把设备电源从冷启动改为热启动,或用无触点开关代替机械开关,或者降低开关接通/关闭时电流上升/下降的速率等。

3.2 传导敏感度类试验

传导敏感度类试验包括CS101、CS106、CS114、CS115、CSI16。前2项针对EUT的电源线做试验,后3项测试的是连接到EUT的所有电缆(包括电源线)。本类试验测试EUT对通过电缆传人的外来干扰的敏感度,要求在规定的外来干扰传人时,EUT对干扰不敏感,能保持正常工作。

CS101和CS106这2项试验要求EUT在来自电源线的传导干扰信号作用下能够正常工作,3.1节中有关电源的隔离、滤波等措施在这里同样适用。不过一般来说,传导敏感度测试比传导发射测试更难达标。这是因为在传导发射测试时,被测信号是来自设备的,而设备依据其功能和用途的不同,并不 一 定会有干扰向外传导发射,或者即使有的话,传导发射出的干扰信号幅度和频率也不 一 定落在被测的范围内。比如当被测设备内部只有低频小信号电路时,传导发射类试验就较易过关。而在做传导敏感度试验时,干扰信号来自外部,EUT必须在整个频段内防御外来干扰。对付这种干扰,单纯依靠电源滤波器是不够的。对低频段来说,要求的滤波电容容量很大,一般的电源滤波器不能使用这么大的电容容量。因为电源滤波器的滤波电容跨接在电源线和接地平面之间,过大的滤波电容会使旁路的干扰电流通过公共地线耦合到同一接地平面的其他设备中去,反而会造成新的电磁干扰。这一点对于装载在舰船上的设备来讲尤为突出。所以在GJB151A.97标准中,对电源输入端的接地滤波电容容量上限是有限制的,一般应该小于0.1μF。

既要阻挡住来自电源线的EMI,又不能采用大容量的滤波电容,这时可选用能够吸收和衰耗EMI的器件。磁环和磁柱等就是这类器件。在电源输入端采用合适的磁性元件能够有效地吸收EMI能量。这些磁性元件有许多品种规格,在满足适用频率要求的前提下,一般可选择导磁率高的品种,但要避免在使用中出现磁饱和而使抗干扰性能失效。把输入的一对电源线并排在磁环上绕几圈,或并在一起穿过磁柱,可使电源电流一去一回产生的磁场相互抵消,避免磁饱和,共模干扰得到了抑制。在EMC测试时有过这样的经验,当CS101就差一点达不到标准的时候,在电源线上串1个磁环,往往可收到立竿见影的效果。

对于传导敏感度试验项目CS114、CS115、CS116来说,干扰频率范围从10 kHz到数百MHz,可采用高频滤波和低频电磁衰耗相结合的抗干扰措施。现在市面上已有商品化的EMI三端滤波器,其内部综合采用了磁珠、电感和高频电容,组成T型或双T型滤波网络,对高频段干扰有较好的抑制作用。这些三端滤波器体积很小,可以在每1根进出设备的导线上串接1个滤波器。在电缆接入到设备机箱的地方,可选用内部衬有磁性材料的接插件。这类接插件内除了插针、插孔的金属接触偶以外的部位都衬了高频磁性体,相当于在每根导线上都串了磁环,能够在电缆接入设备处吸收掉高频干扰。

从电路设计上来讲,如电路的输入信号采用平衡差分方式,连接到EUT的信号电缆应采用双绞线型电缆,并选择适当的绞距,使共模干扰信号的主要能量在输入电路中相互抵消。

3.3 辐射发射类试验

辐射发射类试验包括磁场辐射发射项目RE101和电场辐射发射项目RE102,主要测试项目是电场辐射发射RE102,测试的频率范围是10 kHz~18 GHz,在这个频段内任何一个频点上EUT的辐射发射信号都必须低于规定值才判定为测试达标。

对于一台具体的受测设备,实际的辐射发射频率不可能覆盖上述整个频率范围,辐射发射的能量往往集中在某些频点或频段中。大多数情况下,EUT低频端的辐射发射常常来自开关电源,高频端的辐射发射主要来自电路中振荡器的基波和高次谐波。

开关电源的辐射发射和电源的品质密切相关,优 质的开关电源不仅效率高,而且杂散辐射少。所以在选用开关电源时,一 定要挑选符合军标要求的电源,如Ericsson和Vicor等公司的军标电源就具有低辐射的特性。

开关电源中DC/DC变换器的脉冲频率是个很重要的参数,这个频率一般在几十kHz到几百kHz间,也有的使用MHz级的变换频率。如果在RE102测试时有某些频段很难达标,有时改换频率不同的开关电源,可以在试验时避开这些频段。

经验表明,开关电源除了直接的对外辐射发射外,电源电路的脉宽调制(PWM)信号还可能对设备内的邻近电路尤其是高频电路产生寄生调制作用,使得在远离开关电源工作频率的频点处出现辐射干扰。这种干扰很难在事先预料到,即使出现了也很难想到是由开关电源造成的。在机箱内部对开关电源单独进行屏蔽可以大幅度抑制掉这种干扰。

另一个主要的辐射发射源是EUT电路里的晶体振荡器。一般来说,要判断辐射发射是否来自晶体振荡器很简单,因为晶振的频率都是已知的,而且非常精确,如在RE102项目测试中测到的辐射频率正好与晶振频率相同或是其整数倍,那就说明是来自振荡器基波或谐波的干扰。但也有例外,如果EUT里使用了多个频率不同的晶振,各晶振频率可能发生交叉调制,使辐射频谱复杂化,导致在大量频点处出现辐射干扰。降低晶体振荡器的辐射发射,首先是要选用质量好的晶振并使其工作在低电压、低功耗状态,其次是正确设计振荡电路以减少晶振的谐波,必要时对晶振电路进行板级屏蔽。尽量避免在电路里使用多个振荡源,而采用从一个振荡器导出其余所需频率的技术。这些措施都可以使晶振的对外辐射大幅降低。目前有一种扩展频谱能量的晶体振荡器,可以把晶振的辐射能量分散到主振频率周围的谱带中,以降低在某个特定频点上的峰值辐射能量。有时可以考虑选用这种晶体振荡器。

对于大多数军工电子设备来说,不具有产生强磁场辐射的条件,RE101项目达标难度一般不大。

3.4 辐射敏感度类试验

辐射敏感度类试验包括磁场辐射敏感度项目RS101和电场辐射敏感度项目RS103。对于需要接收或检测微弱电信号的通信设备和自动控制设备,电场辐射敏感度是极为关键的测试项目,也可以说是所有EMC试验中zui难过关的一项测试。

要使RS103测试达标,仍然是在电源和屏蔽方面做工作。前述有关电源的抗传导干扰措施也能适用于抗辐射干扰。为了避免外来辐射干扰通过电源电缆进入机箱,电源电缆要有屏蔽层,而且这一屏蔽层要在机箱外部接地,不能随电源电缆进入机箱内再接地。

对于机箱的屏蔽,前面已提到要尽量保持整个机箱的导电连续性,仔细处理好机箱上的每一处接缝和开口。机箱的接缝zui好是焊接,如果出于维修拆卸的考虑不能焊接,那必须把接缝压紧。笔者曾经做过这样的试验:把l台调频收音机调到收音状态放在铁制机箱内,让声音通过机箱表面的小孔传出。当把机箱盖好后,收音机仍然能接收到电波。然后开始压紧机箱盖板,每压紧一点,收音机的广播声就轻一点,当压紧到一 定程度后,就完全收不到广播,只传出收音机自身的静态噪声。可见压紧接缝的重要性。为填充接缝问的细微问隙,在接缝处可使用银铝填料的导电橡胶衬垫。

机箱的开口有显示孔和电缆进出孔等。3 mm以下的LED显示孔对屏蔽效果影响不大,LCD显示屏面积较大,不加屏蔽的话,外来电场辐射就会进入机箱。屏蔽的方法有在显示屏上贴透明导电膜或加装夹有金属丝网的玻璃等。前者使用方便但屏蔽效果有限,后者屏蔽效果较好但对透光性有影响。无论采用哪种方法,都要注意屏蔽层与机箱良好的导电连续性,zui好在显示器的后面再加屏蔽罩,并使用高频穿心电容器对通过后屏蔽罩的信号线进行滤波。

电缆孔也是外来电场干扰窜人机箱的薄弱点。未采取措施的电缆穿过屏蔽体时,屏蔽效能将降低30 dB以上[4]。现在一些标准的军品接插件可配装专用的屏蔽电缆附件,使用这类附件能够确保电缆外屏蔽层和接插件外壳有良好的导电连续性。

相比电场辐射来说,要求做磁场辐射敏感度RS101试验的较少。但要注意,如果设备中有对磁场辐射敏感的器件如电感线圈或电磁传感器等,就可能在RS101测试中不能达标。笔者曾把1台通信设备安装在某平台的舱壁上,结果出现400 Hz的干扰声,取下来就没有干扰。起初怀疑在安装位置处有电场干扰,但该设备已通过了RS103测试,而且无论如何改进屏蔽和接地都无济于事。后来得知在安装位置的舱壁内敷有400 Hz的电力电缆,大电流产生了强磁场,属于磁场干扰而非电场干扰。因为电屏蔽和磁屏蔽的防护要求不同,通常的密封金属机箱无法抵御磁场辐射。zui后把该设备的动圈式语音传感器改换成对磁场不敏感的驻极体式传感器,干扰立即消失了。

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