電磁兼容設(shè)備的校準(zhǔn)

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1．引言

    電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。自從發(fā)明無線電通訊和廣播以來，電磁干擾問題就成為專業(yè)人事關(guān)注的對象。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，對產(chǎn)品的電磁兼容性越來越重視。1989年歐洲共同體委員會頒發(fā)了89/336/EEC指令，明確規(guī)定，自1996年1月1日起，所有電子、電器產(chǎn)品須經(jīng)過EMC性能的認(rèn)證，否則將禁止其在歐共體市埸銷售。我國已將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入了國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍，國家規(guī)定從2003年8月1日起凡列入國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC）目錄的產(chǎn)品未經(jīng)認(rèn)證不得出廠、進(jìn)口和銷售。
    電工委員會IEC有兩個專門從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的技術(shù)委員會：一個就是無線電干擾特別委員會（法文簡稱CISPR），成立于1934年，主要對保護(hù)廣播接收機(jī)不受電磁干擾提出了一系列騷擾限值和測試方法，制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，近年也相應(yīng)開展了一些抗擾度標(biāo)準(zhǔn)的研究；另一個是電磁兼容委員會TC77（電氣設(shè)備（包括網(wǎng)絡(luò)）的電磁兼容性委員會），成立于1981年。
    我國的EMC測試及標(biāo)準(zhǔn)化工作始于六十年代，當(dāng)時國內(nèi)的一些院所建立了相對簡陋的試驗(yàn)室，開展無線電干擾（騷擾）測試研究，同時參考前蘇聯(lián)和歐美國家標(biāo)準(zhǔn)制定我們國家自已的EMC標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件，自從1986年成立了全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化委員會后，我國才開始有組織有系統(tǒng)地對應(yīng)CISPR/IEC開展國內(nèi)EMC標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前我國已制定了近八十項(xiàng)EMC國家標(biāo)準(zhǔn)，其中基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)為GB4365-1995電磁兼容術(shù)語；GB/T6113-1995無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備規(guī)范。
    電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度兩方面。其中電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡稱EMI） 測試主要考察產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾是否符合相應(yīng)的規(guī)范；而電磁敏感度 （electromagnetic susceptibility以下簡稱EMS）則主要考察產(chǎn)品承受電磁騷擾的能力。EMS中比較成熟的測量參數(shù)主要有以下項(xiàng)目：靜電放電、無線電頻率電磁輻射場、電快速瞬變脈沖群、浪涌、由射頻場引起的傳導(dǎo)、工頻磁場、脈沖磁場、阻尼振蕩磁場、電壓跌落短期中斷和電壓變化、振蕩波抗擾度試驗(yàn)。
    EMS測試中用到多種測試儀器。這其中包括部分常規(guī)類型的測試儀器，例如高頻信號發(fā)生器、衰減器、功率放大器等，還包括多種測試儀器。這些測試儀器的校準(zhǔn)方法在一些標(biāo)準(zhǔn)性的文件中有敘述，有些則沒有明確的提及。目前國家還沒有相應(yīng)的計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，以下的文章將簡單介紹這些測試儀器的校準(zhǔn)方法。

2．靜電放電發(fā)生器

    靜電放電抗干擾試驗(yàn)（Electrostatic Discharge Immunity Test）標(biāo)準(zhǔn)討論當(dāng)電力和電子設(shè)備遭受直接來自操作者和鄰近物體的靜電放電時的抗
    干擾要求和試驗(yàn)方法。靜電放電（以下簡稱ESD）試驗(yàn)設(shè)備中zui主要的部分就是ESD試驗(yàn)發(fā)生器。
    ESD發(fā)生器的放電電流波形見圖1。為了校驗(yàn)ESD發(fā)生器，必須利用試驗(yàn)時的放電回路來驗(yàn)證表1所示的特性。

    在IEC 61000-4-2中，推薦使用了法拉第籠和標(biāo)準(zhǔn)2Ω 靶來校準(zhǔn)ESD發(fā)生器的放電波形。特制的銅靶面2Ω 電阻應(yīng)有1GHz帶寬，安裝于法拉第籠側(cè)面的鋁板上，放電電極的應(yīng)與電流傳感器直接接觸，而且發(fā)生器以接觸放電方式工作，從靶上取出的電壓信號送入至少1GHz帶寬的示波器進(jìn)行測量。其它的一些布置，包括使用與尺寸不同的實(shí)驗(yàn)室法拉第籠，或?qū)⑴c靶面分開都是允許的。但兩種情況下，均應(yīng)考慮傳感器與ESD接地點(diǎn)之間的距離（1m）以及放電回路電纜的布局。隨著示波器測試能力越來越強(qiáng)，人們發(fā)現(xiàn)法拉第籠并非必需品，直接從鋁板上的2Ω 電阻上取樣同樣可以得到不錯的測試結(jié)果。這一點(diǎn)仍須大量實(shí)驗(yàn)的證明。

    ESD發(fā)生器的另一個重要參數(shù)是其充電電壓。輸出電壓的指示值是發(fā)生器儲能電容兩端的充電電壓，并非所有的ESD發(fā)生器都能夠很容易地從儲能電容兩端接線，在不方便接線時可以從ESD發(fā)生器輸出端放電電阻處測量。由于放電電阻的阻值為（50~100）MΩ ，如果高壓測量線路的輸入阻抗不足夠高，必須要修正測量結(jié)果。

    新的ESD發(fā)生器規(guī)范和其校準(zhǔn)要求草案正在IEC TC77 WORK GROUP 9討論，而ANSI的新標(biāo)準(zhǔn)也即將公布，在此標(biāo)準(zhǔn)中ESD模擬器的校準(zhǔn)將與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有很大的區(qū)別，作者將在其它文章中專門介紹。

3．電快速脈沖群發(fā)生器

圖3 EFT/B發(fā)生器接50Ω負(fù)載時的單個脈沖
    電快速脈沖群（Electrical Fast Transient / Burst，簡稱EFT/B）試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證電氣和電子設(shè)備對來自操作暫態(tài)過程（諸如開斷感性負(fù)載、繼電器觸頭彈跳等）中各種類型的瞬變擾動的抗擾性。試驗(yàn)將一系列快速瞬變電脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號和控制端口。試驗(yàn)中用到的主要設(shè)備包括快速瞬變電脈沖群發(fā)生器、交/直流主電源端口的耦合/去耦合網(wǎng)絡(luò)（簡稱CDN）和容性耦合夾。電快速瞬變脈沖群發(fā)生器的輸出單脈沖如。
    為了能夠比較由不同的EFT/B發(fā)生器所得出的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)檢驗(yàn)發(fā)生器的特性。EFT/B發(fā)生器的輸出通過一個50Ω 的同軸衰減器接至示波器上，測試設(shè)備的帶寬至少為400MHz，應(yīng)該對一個脈沖群內(nèi)的脈沖上升時間、脈沖持續(xù)時間和脈沖的重復(fù)率進(jìn)行監(jiān)視。
    IEC61000-4-4中存在一個阻抗匹配的問題：雖然EFT/B發(fā)生器都具有50Ω 的源阻抗—在50Ω 的負(fù)載阻抗與之匹配時將提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓/電流波形，但實(shí)際應(yīng)用中的電子產(chǎn)品往往不具有50Ω 的輸入阻抗。為解決這一問題，很早就有提議用1000Ω 的負(fù)載來檢驗(yàn)波形。IEC61000-4-4 （Amendment 2）將于2004年7月1日實(shí)施，此版與前面版本的主要區(qū)別就是提出對EFT/B發(fā)生器的輸出波形校驗(yàn)應(yīng)分別在50Ω 和1000Ω 下進(jìn)行。關(guān)于這一點(diǎn)作者將在其他文章中探討。

4．沖擊試驗(yàn)發(fā)生器（浪涌發(fā)生器）和振蕩波發(fā)生器

    沖擊抗干擾試驗(yàn)（Surge Immunity Test）的目的是評估設(shè)備遭受由操作和雷電瞬變過電壓引起的單向沖擊時的性能。標(biāo)準(zhǔn)不對絕緣耐壓能力進(jìn)行試驗(yàn)，也不考慮直接雷擊的情形。設(shè)備上出現(xiàn)的振蕩波也可能影響到設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。振蕩波抗擾性試驗(yàn)（Oscillatory Waves Immunity Test）只考慮振蕩波的主要參數(shù)，即重復(fù)率。單次振蕩波即稱為振鈴波，阻尼振蕩瞬態(tài)群波稱為阻尼振蕩群波。
    試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有綜合波發(fā)生器（1.2/50Ω s ~ 8/20Ω s）、10/700Ω s發(fā)生器、振蕩波發(fā)生器或其它波形發(fā)生器和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。不同波形的定義不盡相同，下面是1.2/50Ω s ~ 8/20Ω s波形的定義。


    校準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)生器的特性時，試驗(yàn)發(fā)生器輸出應(yīng)與足夠帶寬和電壓電流容量的測量系統(tǒng)相連，以監(jiān)視波形特性。
    在開路條件下（負(fù)載大于等于10kΩ ），可以將電壓輸出經(jīng)電壓探棒連接到示波器；在短路條件下（負(fù)載小于等于100Ω ），可以使用電流傳感器并連接到示波器。

5．輻射（射頻）電磁場抗擾試驗(yàn)場均勻性校準(zhǔn)

    輻射（射頻）電磁場抗擾性試驗(yàn)（Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test）本試驗(yàn)的目的是為了建立一共同的參考，以評估電氣和電子設(shè)備受無線電頻率電磁場干擾的性能。
    試驗(yàn)中用到的主要儀器及其主要性能有：無回聲室，射頻信號發(fā)生器，功率放大器，天線，場強(qiáng)探頭，場強(qiáng)測試儀等。
    輻射（射頻）電磁場抗擾性試驗(yàn)中用到的電波暗室必須保證試驗(yàn)樣品上的場是充分均勻的，保證試驗(yàn)結(jié)果有效。因?yàn)椴豢赡芙⒁粋€靠近地參考平面的均勻場，所以校準(zhǔn)域距離地參考面0.8m以上，EUT盡可能置于同樣的高度。均勻域的校正在空的暗室中進(jìn)行，天線、附加吸波體的布置和位置等應(yīng)記錄并保持不變。發(fā)射天線的放置位置應(yīng)能使1.5m×1.5m的校正域處于發(fā)射場的主瓣寬度之內(nèi)。場傳感器與場發(fā)射天線之間的距離至少為1m，EUT與天線之間的距離為3m（指雙錐形天線的中心或?qū)?shù)周期天線的頂端到EUT的距離）。在定義的區(qū)域內(nèi)75%的表面上的幅值在正常值的-0dB ~ +6dB以內(nèi)，即可認(rèn)為該場是均勻的（即若測量16個點(diǎn)中至少有12個點(diǎn)在容許范圍之內(nèi)）。
校正程序如下：
    ●將場傳感器放于方格中16點(diǎn)上的任一點(diǎn)上（見）；
    ●對場發(fā)射天線施加一個發(fā)送功率以得到3V/m~10V/m范圍的場強(qiáng)，并記錄兩種讀數(shù)（功率和場強(qiáng)）；
    ●用同樣的發(fā)送功率，測量并記錄其它15點(diǎn)的場強(qiáng)；
    ●分析所有16點(diǎn)的結(jié)果，刪除25%zui大偏差的數(shù)據(jù)點(diǎn)（既16個結(jié)果中的4個）；
    ●保留點(diǎn)的場強(qiáng)應(yīng)在±3dB內(nèi)；
    ●從輸入功率和場強(qiáng)的關(guān)系算出需要的試驗(yàn)場強(qiáng)所必需的發(fā)送功率，并作為記錄；
    ●在垂直極化和水平極化，都要以不高于10%起始頻率的步長重復(fù)以上6個步驟。
    ●將收集來的16個校正點(diǎn)在每一頻率點(diǎn)上的場強(qiáng)及輸入到天線去的射頻功率數(shù)據(jù)裝入計(jì)算機(jī)，通過軟件控制自動地對場強(qiáng)進(jìn)行校正。

6．對射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾的抗擾性試驗(yàn)

    本標(biāo)準(zhǔn)涉及電子和電力設(shè)備對射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的在9kHz~80MHz頻率范圍內(nèi)傳導(dǎo)騷擾的抗擾性要求。本標(biāo)準(zhǔn)所考慮的騷擾源是射頻輻射電磁場，由于被干擾設(shè)備的尺寸通常要比騷擾信號的波長短得多，而設(shè)備引線（包括電源線、通信線和接口電纜等）的長度則可能與騷擾信號的幾個波長相等，因此引線便起到了被動天線的作用，射頻電磁場就可以通過引線以傳導(dǎo)方式（zui終以射頻電壓和射頻電流所形成的近場電場和近場磁場在設(shè)備內(nèi)部）對設(shè)備產(chǎn)生騷擾。
    試驗(yàn)中用到的主要儀器及其主要性能有：射頻信號發(fā)生器，功率放大器，耦合和去耦裝置等。
    耦合和去耦裝置將干擾信號合適地耦合到EUT的各條電纜上，其主要參數(shù)（從EUT端口處看去的共模阻抗）見下表:

表3 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾中CDN的阻抗
    耦合和去耦裝置的特性通過從EUT處看去的共模阻抗 Zce表現(xiàn)出來。
    耦合和去耦裝置和阻抗參考面（）應(yīng)放置于一地參考平面上，該參考面的大小至少要比設(shè)備所有面的投影幾何尺寸超出0.2m。網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)使用50Ω參考阻抗，網(wǎng)絡(luò)分析儀在阻抗參考平面內(nèi)（用開路、短路和50Ω負(fù)載）校準(zhǔn)，在阻抗參考接頭與EUT端口之間需要一短連接（L≤30mm），校驗(yàn) Zce時使用的幾何圖和的原理圖。 如所示，在短路和開路條件下，

    當(dāng)輸入端口接有50Ω負(fù)載，并且AE端口依次短路和開路條件加載共模阻抗時，耦合和去耦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足上表的阻抗要求。

7．磁場抗擾試驗(yàn)

    設(shè)備會受到磁場作用而影響器其可靠運(yùn)行，本標(biāo)準(zhǔn)中所闡述試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證設(shè)備在工頻、脈沖、阻尼磁場作用時的抗擾性。
    試驗(yàn)磁場是由在一個感應(yīng)線圈中通過電流得到的。試驗(yàn)設(shè)備包括電流源（試驗(yàn)發(fā)生器）、感應(yīng)線圈和輔助設(shè)備。
    為了校準(zhǔn)試驗(yàn)發(fā)生器，必須檢驗(yàn)輸出電流的基本特性。將發(fā)生器連接于標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)線圈，對輸出電流進(jìn)行檢驗(yàn)。用長度小于3m和適當(dāng)截面的雙絞線或同軸電纜連接。校準(zhǔn)工頻發(fā)生器要求用一個電流探頭和精度為±2％的測試儀器，由于電流為工頻，故可以采用分流器采樣來校準(zhǔn)電流，被檢驗(yàn)的特性有輸出電流值、總畸變率；校準(zhǔn)脈沖、阻尼磁場發(fā)生器要求用電流探頭和zui小帶寬10MHz的測量儀器（普通示波器即可），精度至少為±10％，被檢驗(yàn)的特性有：輸出電流峰值、上升時間（脈沖）、持續(xù)時間（脈沖）、阻尼特性（阻尼）、振蕩頻率（阻尼）、重復(fù)頻率（阻尼）。
    對線圈磁場的校準(zhǔn)要在其工作條件下進(jìn)行（無EUT的自由空間）。一個相對于EUT尺寸正確的感應(yīng)線圈，要置于離實(shí)驗(yàn)室墻壁和任何磁性材料zui小1m的位置，采用絕緣支撐，并連接于試驗(yàn)發(fā)生器上。選擇合適的磁場傳感器用以檢驗(yàn)感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度。磁場傳感器應(yīng)該置于感應(yīng)線圈的中心位置，同時在適當(dāng)?shù)姆较蛏咸綔y出磁場強(qiáng)度的zui大值。注入感應(yīng)線圈的電流應(yīng)調(diào)整到能取得試驗(yàn)水平所要求的磁場強(qiáng)度。
    感應(yīng)線圈因數(shù)校準(zhǔn)工作應(yīng)在工頻下進(jìn)行，校準(zhǔn)程序應(yīng)在帶有試驗(yàn)發(fā)生器和感應(yīng)線圈的情況下進(jìn)行，感應(yīng)線圈因數(shù)由上述程序確定和檢驗(yàn)。感應(yīng)線圈因數(shù)給出了為得到所需的試驗(yàn)磁場強(qiáng)度而注入線圈的電流值。

8．電壓暫降、短期中斷和電壓變化的抗擾性試驗(yàn)

    電氣和電子設(shè)備會受到供電電源電壓暫降、短時中斷或電壓變化的影響。電壓暫降、短時中斷是由電網(wǎng)中、變電設(shè)備中的故障或負(fù)荷出現(xiàn)大的突然變化引起的，在某些情況下會出現(xiàn)兩次或多次接連的跌落或中斷。電壓變化是由連接到電網(wǎng)的負(fù)荷連續(xù)變化引起的。
    在電壓暫降和短時中斷中，設(shè)備的額定電壓UT和變化后的電壓之間是突然變化的，階躍電壓能在電源電壓的任意相角開始和停止。電壓變化則是連續(xù)過渡的。
    電壓發(fā)生器應(yīng)在規(guī)定時間段上校準(zhǔn)。試驗(yàn)發(fā)生器的特性檢驗(yàn)根據(jù)下列要求進(jìn)行,
    發(fā)生器的100%、70％和40％有效值輸出電壓應(yīng)符合所選擇的運(yùn)行電壓的那些百分比，如230V、120V等；
    所有三種電壓的有效值應(yīng)在空載時測量，并且應(yīng)保持在它們正常值的規(guī)定百分?jǐn)?shù)內(nèi)；
    在三種輸出時應(yīng)檢驗(yàn)負(fù)載能力，對100％輸出16A時，不超過5％，對70％輸出23A時，不超過7％，對40％輸出40A時，不超過10％；
    70％和40％輸出試驗(yàn)下，持續(xù)時間不應(yīng)超過5s
    用高壓衰減棒和示波器配合使用，直接測量模擬器的輸出可以測量電壓變化和中斷的周期。示意圖如下：

    如果需要檢驗(yàn)峰值沖擊驅(qū)動電流能力，則當(dāng)驅(qū)動一個由1700Ω F的無電荷的電容器和一個合適的整流器串聯(lián)組成的負(fù)載時，發(fā)生器應(yīng)從滿輸出的0％合切換到100％，在90°和270°相角下進(jìn)行試驗(yàn)。測量發(fā)生器沖擊電流驅(qū)動能力所需要的電路如下。

圖 7 測量發(fā)生器沖擊電流驅(qū)動能力的電路
    發(fā)生器開關(guān)特性應(yīng)通過一個合適的功率耗散率的100Ω 負(fù)載加以測量。上升和下降時間，和過沖和欠沖一樣，應(yīng)被檢驗(yàn)條件是從0％至100％，100％至70％、100％至40％和100％至0％在90°和270°都進(jìn)行切換。相位的準(zhǔn)確性應(yīng)從0％至100％ 和100％至0％、0°到360°按45°增加進(jìn)行檢驗(yàn)，也應(yīng)在從100％至70％和70％至100％以及100％至40％和40％至100％在90°和180°下進(jìn)行檢驗(yàn)。

9．結(jié)束語

    本文對上述儀器的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)儀器進(jìn)行了介紹。將會對相關(guān)的從事儀器校準(zhǔn)的人員具有一定的啟迪作用。