电磁兼容性测试

EEcha · 发表于 2006-3-8 22:00:00

前言
各式各樣之三C整合系統設備帶給人類生活無限方便利益, 卻也造成複雜電磁雜訊環境。四十年前歐體IEC/CISPR等委員會之電磁相容性(ElectroMagnetic Compatibility, EMC)研究小組有鑑於此電磁雜訊環境趨勢，發出 89/336/EEC EMC 指令(及後續修訂版92/31/EEC，93/68/EEC)，說明電子電機設備相關產品必須符合輻射干擾與傳導干擾發射規格外，同時陸續增訂輻射耐受性與傳導耐受性規格，要求1996年元旦起強制實施，國內各類電子電機產品廠商為強化所生產產品符合內外銷相關EMC指令，促使EMC測試場地快速成長，較大規模之資訊廠都趨向自行籌建EMI (ElectroMagnetic Interference)除錯場地，加速產品EMC設計達到外銷各國相關EMC需求。然而為了驗證電子電機設備電磁相容性設計是否良好，就必須在研發之整個過程中，對各種電磁干擾源之發射雜訊、傳輸特性及受干擾設備能否負荷耐受性測試，驗證設備是否符合相關電磁相容性標準和規範；找出設備設計及生產過程中，在電磁相容性方面之盲點。在客戶安裝和使用設備時，提供了既真實又有效之數據，因此，電磁相容性測試是電磁相容性設計所不可或缺之重要環節。本文將針對EMC測試最新之軍規、商規、車輛規範等作一比較分析測試方法差異及相關經驗。
表一 . 
常見美軍軍規, 歐美商規及車輛用電磁干擾(EMI)測試項目摘要比較
<TABLE width="99%" border=1>

<TR>
<TD width="6%" rowSpan=7>
電
磁
干
擾
測
試
E
M
I</TD>
<TD width="6%" rowSpan=4>
傳
導
放
射
C
E</TD>
<TD width="31%">MIL-STD-461D</TD>
<TD width="20%">
EN/IEC-歐聯</TD>
<TD width="14%">FCC-美國</TD>
<TD width="23%">車輛-全車或零組件</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CE-101, 30HZ~10KHZ電源線</TD>
<TD width="20%" rowSpan=6>
傳導干擾與輻射干擾EN550-11工業, 科學與醫療儀器EN550-13 廣播接收機EN550-14家電及手工具產品EN550-15燈具類產品EN 550-22資訊類產品EN61000-3-2電流諧波EN61000-3-3電壓變動與閃爍 </TD>
<TD width="14%" rowSpan=6>
傳導干擾與輻射干擾

PART 15J
PART 18</TD>
<TD width="23%" rowSpan=6>
傳導干擾與輻射干擾
CISPR 12
SAE J551C
72/245/EEC
95/54/EC
SAE J1113-23(扁條式天線)
SAE J1113-25(平行板天線)</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CE-103, 10KHZ~10MHZ電源線, 電壓量測</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%" height=48>CE-06(VBW)天線端10KHZ~40GHZ</TD></TR>
<TR>
<TD width="6%" rowSpan=3>
輻
射
放
射
R
E</TD>
<TD width="31%">RE-101, 30HZ~100KHZ磁場量測</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">RE-102, 10KHZ~18GHZ電場量測</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">RE-103, 10KHZ~40GHZ假波與諧波</TD></TR></TABLE>
表二.
常見美軍軍規, 歐美商規及車輛用磁用耐受性(EMS)測試項目摘要比較
<TABLE width="99%" border=1>

<TR>
<TD width="7%" rowSpan=12>
電
磁
耐
受
性
測
試
E
M
S</TD>
<TD width="5%" rowSpan=9>
傳
導
耐
受
性
C
S</TD>
<TD width="31%">MIL-STD-461D</TD>
<TD width="15%">EN/IEC-歐聯</TD>
<TD width="12%">FCC-美國</TD>
<TD width="30%">車輛(全車或零組件</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-101,30HZ~10KHZ, 電源線, Pmax=80W</TD>
<TD width="15%" rowSpan=11>
IEC 1000-4-2 ESD靜電放電
IEC 1000-4-3輻射耐受性
IEC1000-4-4快速暫態與叢訊
IEC1000-4-5雷擊突波耐受性
IEC 1000-4-6傳導耐受性
IEC 1000-4-8電源頻率磁場
IEC 1000-4-11瞬降瞬斷電壓</TD>
<TD width="12%" rowSpan=11>不適用</TD>
<TD width="30%" rowSpan=11>
ISO 11451-2(全車輻射)
ISO 11451-3(全車)
ISO 11451-4(全車BCI)
ISO 11452-2(0.2-18GHZ)
ISO 11452-3(TEM CELL)
ISO 11452-4(零件BCI)
ISO 11452-5(扁條式天線)
ISO 11452-6(平行板天線)
ISO 11452-7(射頻電源注入)
JASO 7637-1(12V電源)
JASO 7637-2(24V電源)
JASO 7637-3(12V-24V)
95/54/EC
ISO 10605(靜電放電)</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">
CS-103,15KHZ~10GHZ交互調變</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-104,30HZ~20GHZ消除不要訊號</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-105,30HZ~20GHZ交叉調變</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-109,60HZ~100KHZ結構電流</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-114, BCI, 10KHZ~400MHZ</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">CS-115, BCI, 10KHZ脈衝激發</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%" height=61>CS-116, 阻尼式弦狀波暫態</TD></TR>
<TR>
<TD width="5%" rowSpan=3>
輻
射
耐
受
性
R
S</TD>
<TD width="31%">RS-101,30KHZ~100KHZ磁場量測</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">RS-103,10KHZ~40GHZ電場量測</TD></TR>
<TR>
<TD width="31%">RS-105暫態電磁場</TD></TR></TABLE>
電磁相容性測試範圍與所採用之標準和規範
依據相應之電磁相容性標準和規範，電磁干擾(EMI)及電磁耐受性測試(EMS)在不同頻率範圍內，採用不同之方式進行。基於任意電子電機設備既可能是一個干擾源，也可能是被干擾者。因而，電磁相容性測試包含電磁干擾測試(EMI)及電磁耐受性測試(EMS)。由於電磁相容性測試種類太多，實在無法逐一詳細說明，本文就表１及表２摘要列舉了幾個典型EMC測試標準和規範(含常見美軍軍規、歐美商規及車輛用EMC標準)，在不同頻率範圍中之測試項目，從軍規EMC標準之演變，就可觀察到歐美商規EMC標準之趨勢。近年來，車輛工業界面對二十一世紀車輛設計新穎要求，紛紛成立車輛研發中心，由於國內主要汽車製造廠均需符合相關車輛用EMC標準和規範，因此更需瞭解比較車輛EMC設計與測試驗證之方法。
此二表中CE表示可以傳導發射(Conducted Emission)，CS表示傳導耐受性(Conducted usceptibility)，RE表示輻射發射(Radiated Emission)，RS表示輻射耐受性(Radiated Susceptibility)。一般電磁干擾(EMI，包括CE及RE)測試主要內容有︰電子電機產品和設備在各種電磁雜訊環境中之傳導干擾和輻射干擾發射量之測試(例如電子電機設備之交換式電源之脈衝干擾和連續干擾)及各種訊號傳輸時，干擾傳遞特性之測試(例如如各種傳輸線之傳輸特性和屏蔽效果)。
而電磁耐受性(EMS，包括CS及RS)測試主要內容則有︰
1.對電場、磁場之輻射耐受性測試
2.對電源線、控制線、訊號線、地線等注入干擾之傳導耐受性測試
3.對靜電放電和各種暫態電磁波(突波或電性快速暫態)之耐受性測試

EMC測試場地之一般要求︰
如何有效地量測出實際待測產品設備溢出之雜訊，與產生類似EMI之干擾源，用來驗證待測產品設備之電磁耐受性，都是EMC工程人員所必須掌握。因此，為了模擬複雜電磁雜訊環境及保證EMC測試結果之重複性、準確性和可靠性，EMC測試對環境有較高之需求，測試場地可分為隔離室(包含 TEM/GTEM Cell等積向電磁波EMC測試室)、電波暗室和室外開放測試區之場地(open Area Test Site，OATS)等。這些EMC測試場地之功能、建材和限制條件簡述如下
︰就隔離室而言，隔離室之作法一方面是對外來電子電機干擾加以屏蔽，從而保證室內電磁雜訊環境滿足要求，另一方面是對內部如天線等發射源進行屏蔽而不對外界造成干擾。
MIL-STD-461及其它相關電磁相容性標準規定，許多測試項目必須在隔離室內進行，隔離室為一個由金屬材料做成之六面體，其建材形式為鍍鋅鋼板式、銅網式、多層複合金板式等等不勝枚舉。影響隔離室性能之主要原因有︰屏蔽門、屏蔽材料、電源濾波器、通風波導、安裝及焊接接縫、接地等。從屏蔽效益來看，鋼板式最好，在10kHz至18GHz頻率範圍，可滿足屏蔽效益80~120dB之要求。在使用隔離室進行電磁相容性測試時，要注意隔離室之共振及反射。根據電磁理論，隔離室是一個很大之方形波導共振腔，具有一系列之電磁共振頻率，當隔離室發生共振時，將會影響屏蔽效益及測試結果，隔離室基本共振頻率公式為：
<IMG src="http://www.quatek.com.tw/service/application/EMC/emc-1.JPG" align=top>
式中ｆ為共振頻率(MHz)，a，b，c為隔離室之長、寬、高度(公尺)；m，n，p為０及正整數，三者中最多只能一個為零，對於TE波m不能為零，舉例來說，商規長、寬、高9*6*6立方公尺之隔離室基本TE101波之共振頻率約為30MHz。由式(1)可見，隔離室有許多個共振頻率，當隔離室共振時，其屏蔽效益大幅下降，並且會造成很大之測試誤差，因此在進行EMC測試時應避免這些共振頻率。天線等發射源將會在隔離室壁面上產生多重反射，從而影響測試結果，往往誤差大到30～40dB，為此在條件許可之各種狀況下，在體積較大之隔離室內進行測試，同時使待測件在保證入射為平面波之前提下，縮短待測件與接收天線之距離，對於最近之反射路徑，針對反射點局部加貼吸波材料，可以減少反射波。
就電波暗室(全電波暗室或半電波暗室)而言，全電波暗室是針對一般隔離室各內壁面反射，將會影響測試結果，因而在六個壁面上，加裝吸波材料而形成之隔離室(為了模擬室外開放測試區之場地測試，接地地板上不貼吸波材料之電波暗室稱為半電波暗室)。吸波材料一般採用介質損耗型(如聚氨脂類之泡沫塑料，亞鐵磁磚等)，為了確保其耐燃燒特性需在碳酸溶液中滲透，吸波材料通常作成圓錐狀、稜角錐狀及方楔形狀，以保持連續漸變之焦耳阻抗。軍規MIL-STD-462D對吸波材料之最小吸收量有所規定，即頻率80MHz～250MHz至少6dB，頻率大於250MHz則至少10dB以上。而為了保證內部測試場之均勻，吸波體之長度相對於隔離室工作頻率下限，所對應之波長要足夠長(1/4波長效果較好)，吸波體之體積也會限制吸波材料之有效工作頻率(一般在30MHz以上)減小了隔離室之有效空間，電波暗室之屏蔽效益要求與隔離室相同。此外，商規EMC測試對電波暗室之場地衰減 (Site Attenuation，SA) 規定NSA (Normalized SA)要在理論值±4dB之範圍；對電波暗室內部測試場強之均勻度，則要求執行16點場強之均勻度校正試驗，此試驗之測試方法詳加說明如圖，發射天線與待測場強之均勻面(1.5m×1.5m)相距3公尺，16點均勻面正方形(4點×4點，點距0.5m)場強之均勻度，至少要求其中12點 (75%) 要符合規格需求，這種測試方法與1993年版之軍規MIL-STD-462D要求相當就室外開放測試區之場地(OATS)而言，開放測試區之場地通常用於精確測量待測件之發射極限值，OATS要求平坦開闊，遠離建築標地、塔台、電線、樹林、地下電纜和金屬管道，環境電磁干擾背景要很小(如一般電磁相容性標準和規範要求至少低於允許之極限值6dB)，接地地板可為鋼板或其他低阻金屬結構，場地尺寸在不同之EMC標準和規範要求不盡相同。　
EMC測試所需基本儀器之要求及其配備
在前節所述EMC測試場地執行EMI/EMS測試時，所需基本儀器之要求及其配備，隨著不同頻率範圍中之測試項目而有所差異，圖劃出典型EMI/EMS測試組合示意架構，其中測試所需不同儀器之基本配備則如下列說明。
<OL>
<LI>隔離室屏蔽效益(Shielding Effectiveness，SE)測試所需儀器之基本配備參考IEEE-299-1997和MIL-STD-285等測試隔離室屏蔽效益之標準，在不同頻率範圍內將隔離室屏蔽效益分為磁場屏蔽(低阻抗場)，電場屏蔽(高阻抗場)平面波電磁場屏蔽和微波屏蔽，其測試儀器之基本配備為︰頻譜分析儀或EMI測試接收機、場強監視系統、各類訊號產生器、功率放大器、各類衰減器、定向耦合器及各類發射、接收天線(棒狀天線、環路天線、對數螺旋天線、喇叭天線等)及輸出變壓器。
<LI>電磁干擾EMI測試所需儀器之基本配備需求 </LI></OL>
<IMG src="http://www.quatek.com.tw/service/application/EMC/emc-2.GIF" border=1>
<IMG src="http://www.quatek.com.tw/service/application/EMC/emc-3.GIF">

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