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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

E

M

I

C

E

MIL-STD-461D

EN/IEC-歐聯

FCC-美國 車輛-全車或零組件
CE-101, 30HZ~10KHZ電源線

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

傳導干擾與輻射干擾

 

PART 15J

PART 18

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)

CE-103, 10KHZ~10MHZ電源線, 電壓量測
CE-06(VBW)天線端10KHZ~40GHZ

R

E

RE-101, 30HZ~100KHZ磁場量測
RE-102, 10KHZ~18GHZ電場量測
RE-103, 10KHZ~40GHZ假波與諧波

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

E

M

S

C

S

MIL-STD-461D EN/IEC-歐聯 FCC-美國 車輛(全車或零組件
CS-101,30HZ~10KHZ, 電源線, Pmax=80W

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

不適用

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)

CS-103,15KHZ~10GHZ交互調變

CS-104,30HZ~20GHZ消除不要訊號
CS-105,30HZ~20GHZ交叉調變
CS-109,60HZ~100KHZ結構電流
CS-114, BCI, 10KHZ~400MHZ
CS-115, BCI, 10KHZ脈衝激發
CS-116, 阻尼式弦狀波暫態

R

S

RS-101,30KHZ~100KHZ磁場量測
RS-103,10KHZ~40GHZ電場量測
RS-105暫態電磁場

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:

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。

  1. 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。
  2. 電磁干擾EMI測試所需儀器之基本配備需求

由於使用測試儀器時也會產生一定電磁干擾,為了保證測試之準確性,CISPR16要求測試儀器之干擾量至少比待測裝置干擾電壓或電流小20dB,且比允許之干擾量小40dB。測試儀器精確度要求為︰電壓測試時誤差不超過正負2dB,場強測試時誤差不超過正負3dB。測試儀器之屏蔽效益至少要有60dB,測試儀器接入測試系統後,既不應改變被測電子電機設備之工作狀態,也不應對被測干援源有分壓分流效應,測試儀器本身之干擾耐受性應遠低於可能受到之干擾量。常用之電磁干擾EMI(含RE及CE)測試儀器配備有︰

  • EMI自動測試控制系統(電腦及其介面單元)
  • EMI測試接收機(或頻譜分析儀)
  • 各式天線(主動、被動棒狀天線、大小形狀環路天線、功率雙錐天線、對數螺旋天線、喇叭天線)及天線控制單元等
  • 電流注入感應器(Current Probe)、電壓感應器、隔離變壓器
  • 電源阻抗模擬網路(Line Impedance Stabilization Network,LISN)貫穿電容,儲存式示波器,各型濾波器、定向耦合器等

3.電磁耐受性(EMS)測試儀器之基本配備需求常用之電磁耐受性EMS(含RS及CS)測試儀器之基本配備需求有︰

  • EMS自動測試控制系統(電腦及其介面單元)
  • EMI測試接收機(或頻譜分析儀)
  • 各式發射、接收天線
  • 訊號產生器2功率放大器、場強監視系統
  • 儲存式示波器,注入隔離變壓器,各型濾波器、定向耦合器
  • 電源阻抗模擬網路,射頻抑制濾波器,光纖數據傳輸系統

4.簡介常用之EMC測試重點儀器和設備電磁相容性測試除了通用測試儀器外,還需許多特殊儀器和設備,下面將簡介一些電流感應器、電源阻抗模擬網路、EMI測試接收機、頻譜分析儀、各式發射接收天線、平行板線、及TEM/GTEM Cell等橫向電磁波測試室等主要儀器設備之工作原理和使用特點。

 

電流感應器

電流感應器是引用荷爾效應(Hall effect),從流動導線之電流穿過電流感應器產生磁場,執行CE101/CE102等傳導干擾測試時,利用電流感應器來感應偵測導線所溢放射出之雜訊。

電源阻抗模擬網路(LISN)

電源阻抗模擬網路是一種耦合電路,主要用來提供乾淨之DC/AC電源品質,阻擋待測件雜訊回饋至電源及RF耦合,內部電路架構與阻抗特性曲線詳如圖。早期軍規傳導干擾測試是以10厲貫穿電容為主,電源阻抗模擬網路(LISN) 為輔,1993年以來,軍規MIL-STD-462D要求改以LISN為主,所用導電桌或木桌上接地平面(Ground Plane)皆配備LISN作測試,而CISPR商規要求所用木桌上也配備LISN作測試。

EMI測試接收機

EMI測試接收機是EMC試驗中最常用之基本測試儀器,EMI測試接收機實際上是含高頻選頻放大之超外差接收機,其靈敏度可通過輸入回路之可調衰減器來調變,由於測試訊號輸入常常是極寬之頻譜訊號,運用可調諧高頻選擇器對輸入訊號進行預選,可以改善混頻器之工作

狀況,中頻放大器和中頻選擇器用來確定儀器之通行頻帶,並對訊號進行功率放大。基於測試接收機之頻率響應特性要求,按CISPR16規定,測試接收機應有四種基本檢波方式︰準峰值檢波、均方根值檢波、峰值檢波及平均值檢波。然而,大多數電磁干擾都是脈衝干擾,它們對音頻影響之客觀效果是隨著重復頻率之增高而增大,具有特定時間常數之準峰值檢波器之輸出特性,可以近似反應這種影響。因此在無線廣播頻率領域,CISPR所推薦之電磁相容性規範採用準峰值檢波。由於準峰值檢波既要利用干擾訊號之幅度,又要反映它之時間分布,因此其充電時間常數比峰值檢波器大,而放電時間常數比峰值檢波器小,對不同頻譜段應有不同之充放電時間常數,這兩種檢波方式主要用於脈衝干擾測試。瞬間變化及重復頻率很低之脈衝干擾源已成為主流,使用準峰值檢波器已不能客觀評估此類干擾之特性,軍規測試EMC對於單一脈衝或重復頻率很低之脈衝進行檢測,常用峰值檢波,由於峰值檢波是要測試出干擾訊號振幅之最大值,故它只取決於訊號之幅度而與時間無關,其充電放電時間常數比值 TC/TD 要足夠小,通常TC/TD為幾百分之一。平均值檢波主要用來測試窄頻之連續波、調諧波干擾,其充放電時間常數比值TC/TD為1。

若是干擾經常由許多獨立之脈衝源產生,而往往是隨機的,則最好使用均方根檢波器。選用檢波器取決於被測受干擾源之性質以及所受保護之對象,對於同一干擾雜訊用不同檢波器測得之值是不同,而各種檢波器對脈衝干擾之相對響應也是不同。但將測試數據通過轉換後,仍可得出一致之結果,有些接收機只有峰值或準峰值檢波器,此時只需通過準峰值或峰值轉換器轉換,就能滿足不同之測試要求。

頻譜分析儀

頻譜分析儀之檢波器為峰值檢波,因而滿足軍規EMC測試要求,但不符合歐美EMC商規及我國電磁相容性國家標準(CNS13430系列)規定之極限值測試。為此必須在輸入端配備預選器(Preselector)以防止混頻器飽和,改善頻譜分析儀之S/N比,提高靈敏度,並且在中頻輸出端配備準峰值轉換器或檢波器。則系統靈敏度、動態範圍也提高,就可以滿足軍規EMC測試及CISPR標準測試。

EMI測試接收機與頻譜分析儀兩類設備各有優缺點︰測試接收機之優點有測試準確度高、動態範圍大、頻率分辨率高、靈敏度高、互調干擾小及有四種基本檢波方式;缺點就是不能像頻譜儀分析儀在很寬之頻率範圍內展開觀察,而對被測訊號無法快速進行頻譜分析和振幅測試。頻譜分析儀之優點是能在很寬廣之頻率範圍內觀察而迅速地對被測訊號進行頻譜分析和振幅測試、測試設備相對簡單及測試比較方便;缺點就是測試準確度相對差一些、頻率分辨率較低、互調干擾大、選擇性較差及祇有單一峰值檢波方式。

EMC測試用天線

電磁相容性測試頻率範圍從幾10Hz到幾10GHz,在這麼寬之頻率範圍內作電磁干擾及電磁耐受性測試,所用天線種類繁多,且必須借助各種探測天線把被測場強轉換成電壓。電磁相容性試驗中各頻段優先使用之天線,包括在150Hz∼30MHz採用棒狀與環路天線,30MHz∼300MHz採用偶極與雙錐天線,300MHz∼1GHz採用偶極、對數週期及對數螺旋天線,1GHz∼40GHz採用喇叭天線,這些天線之相關參數與理論可參考製造廠商提供天線出廠之資料。電磁相容性測試用天線具有下列特點︰廣泛的應用到寬頻帶天線,為了提高測試速度,不得不採用寬頻帶天線,除非只對少數已知之干擾頻率點進行測試。寬頻頻帶天線在出廠前提供校正曲線,使用時需輸入此天線因素。天線增益不高,方向性不甚明顯。不少試驗用天線都工作在近場區,測試結果對測試距離很敏感,為此試驗中必須嚴格按試驗規定進行。其次,在近場區電場、磁場之比(波阻抗)不再是個常數,所以有些天線雖然給了電場、磁場之校正係數,但只有當這些天線作遠場測試時才有效,測試近場干擾時,電場與磁場測試結果不能再按此換算,這是在試驗中容易忽略之問題。天線之場強測試動態範圍較寬,應根據測試對象正確選用,電磁相容性試驗之場強相差很大,對強大場強雖然可用衰減器擴大天線量測範圍,但應以不損壞天線轉換器為前提。收、發天線有時是不能互易,如同為雙錐天線,收、發用天線有區別,收、發環路天線也不同,使用時不能互換。

平行板天線

車輛零組件執行電磁場輻射耐受性試驗(ISO 11452-6)時,需要均勻橫電磁波之測量環境。利用平行板線,在其一端接相應之訊號產生器與功率放大器,另一端接匹配負載,可在兩平行板間產生橫電磁波之行波狀態(詳見圖)。當兩板間距為d,所加電壓為V時,平行板之電場強度E為 E = V / d ....(2)

平行板線之工作頻率與終端負載之匹配情況有關,而且與平行板之間之距離d成反比,距離越大,上限工作頻率越低。隨頻率上升,傳輸訊號之?/4送到平皮間距d時,平行板在其開放之側面將產生強烈輻射,以致於影響周圍其它測試設備之工作,甚至危害試驗人員之健康。

因此,當其內部電場較強時,應將其放在電磁隔離室內,或在其開放之側面佈置適當之可移動吸波材料牆。當頻率進一步提高時,板間將出現高次模,使板間電磁場發生畸變,一般把出現高次模之頻率定為平行板線之上限頻率。當待測件置於平行板時,原來之均勻電場將發生畸變,為此通常規定待測件之體積應小於兩板中間體積之1/3。與一般採用輻射天線對待測件進行電場輻射耐受性試驗相比,平行板線有下列優點︰可在寬頻段範圍內產生平面波場;所有能量集中在平行板間,因而電磁能量利用率高,不需很大瓦特數之功率訊號放大器就可在板間產生高於25V/m之場強(車輛零組件規格);平行板線之造價與其它產生場強,用以進行電磁耐受性試驗之方法和裝置相比,成本較低。其主要缺點是︰僅適用於如車輛零組件等小型設備之試驗,對周圍之輻射較為嚴重,影響監測儀器之功能及操作人員之健康。這些缺點限制了應用,從1980年以來,平行板線已逐漸被橫電磁波室所取代,但在電磁脈沖(EMP)研究中,仍將其作為場強模擬裝置。

橫電磁波室 (TEM/GTWM CELL)

 

橫電磁波(Transverse Electro Magnetic,TEM)室是利用傳輸線原理,由同軸線演變而來,一種內部能傳輸均勻橫電磁波之長方形測試室。它是電子電機設備電場輻射耐受性試驗之理想裝置,除了可進行射頻連續波耐受性,脈沖波耐受性試驗外,還可用於測試電子電機設備所產生之輻射干擾,及作為對各種近場測試探夾(如電流注入感應器、電壓感應器、場強感應器等)進行校正用之標準場源裝置。圖為橫電磁波室之示意圖,如圖所示,橫電磁波室由矩形外導體和平板中心接地導電板所構成,兩端通過四面尖錐過渡區與精密50咫冷型同軸連接器連接,接地導電板用絕緣支架固定,將橫電磁波室分成兩部分。待測件之供電系統通過電源濾波器進入,長方形橫電磁波室之優點是腔體內之場強比較均勻,而正方形橫電磁波室之優點是在相同可用空間條件下,工作頻率範圍較寬,所需用料省,體積較小。與平行板線相類似,待測件在橫電磁波室占有之空間一般不超過接地導電板到底板間距的三分之一和前後壁板間距的三分之一,橫電磁波室之工作頻率與終端負載之匹配情況有關,上限頻率依賴於接地導電板到上下底板間距之尺寸,而且與接地導電板到底板間距d成反比,距離越大,上限工作頻率越低。為了使橫電磁波室之工作頻率提高到1GHz範圍,於是GTEM(Gigahertz TEM)橫電磁波室因應而生,它之外型是斜面角錐狀,詳加說明如圖,待測件放置方式與TEM橫電磁波室類似,如圖所示,有各種不同之終端負載,因為工作頻率與終端負載之匹配情況有關,目前歐美EMC商規已經廣泛應用GTEM橫電磁波室來執行輻射發射與輻射耐受性測試。

型軍規、商規之電磁相容性測試

無論是美軍軍規、歐美商規或車輛用電磁相容性測試標準與規範,都對EMI/EMS各類試驗,就儀器之配備、場地布置、試驗步驟、連接方式等都有嚴格之規定,試驗時應嚴格按照規格要求執行。由表及表摘要得知電磁相容性測試種類太多,實在無法逐一詳細說明,因此下面列舉了幾個典型CE、RE、CS及RS等EMC測試之試驗方法。

電源線傳導干擾發射測試(Conducted Emission,CE)

參考規格︰MIL-STD-461D/462D,CE102(10kHz∼10MHz),規格極限如圖7

     FCC Part 15 (450kHz∼30MHz)

     CISPR Pub 22(150kHz∼30MHz)

從規格極限圖就可知道以上各種CE規格之差異,實際擺設、電纜、引線和接地平板間之最小間隔亦有些差異,其中細節相關規格皆有闡述。

電源線傳導干擾測試目的︰待測件所有適用於上列參考規格之頻率範圍內交直流電源輸入和輸出線(包括設備內部不接地之中線)之傳導干擾測試。

電源線傳導干擾測試所需配備︰如圖8所示,以CE102為例,電纜、引線和接地平板間之最間隔為5cm,從待測件LISN或到貫穿電容之電源線長度不超過2cm,待測設備之每條電源線,從導線分界處到LISN或貫穿電容器之長度是2m,根據測試系統之靈敏度及寬頻帶測試要求選用阻抗匹配變換器和濾波器。

電源線傳導干擾測試步驟︰將電流探夾沿每根電源線之導線分界處到LISN或貫穿電容器之線段上移動,以使頻譜分析儀或測試接收機之讀數最大,並記錄讀數,所得結果與規格極限圖比較即可知道是否合格。

電場輻射干擾發射測試(Radiated Emission,RE)

參考規格︰MIL-STD-461D/462D,RE102(10kHz∼18GHz)

     FCC Part 15(30MHz∼1GHz)

     CISPR Pub 22(30MHz∼1GHz)

電場輻射干擾測試目的︰測試電子電機、電氣和機電設備及其組件所輻射之電磁發射,包括來自所有組件、電纜及連接線上之雜訊發射。它適用於發射機之基本波發射、假電訊發射、振盪器發射及寬頻帶發射,但不包括天線之輻射發射與交連導線上之電場輻射。

電場輻射干擾測試所需配備︰如圖9所示,按照待測件之性質,可分為桌上型配備及落地型配備。以CISPR Pub 22之開放空間測試為例,旋轉台上木桌高度80公分,天線與待測件距離10m,在1m至4m間昇降天線,同時待測件應在轉台上旋轉,找出最大輻射點。對不同頻率,選擇相應之測試天線,以上電場輻射試驗亦可在隔離室內進行之。

傳導耐受性測試(Conducted Susceptibility,CS)

參考規格︰MIL-STD-461D/462D,CS102(10kGHz∼10MHz)IEC 1000-4-6(150kHZ∼30MHz)

傳導耐受性測試︰如圖10示,以IEC1000-4-6為例,RF電壓直接注入電源線或訊號線,試驗水準有三種1、3及10V;頻率範圍是150kHz∼80MHz,使用耦合/去耦合網路,可加振幅調變。

電場輻射耐受性測試(Radiated Susceptibility,RS)

參考規格︰MIL-STD-461D/462D,RS103(10kHz∼18GHz),IEC 1000-4-3(80MHz∼1GHz)

電場輻射耐受性測試︰如圖11 所示,以IEC1000-4-3為例,測試設備對於規定頻譜成分和規定強度之電場輻射場之耐受性。RF訊號經由天線輻射RF功率,對試件產生干擾,干擾頻率範圍在80MHz∼1GHz,試驗水準分1V/m,3V/m,10V/m;試驗方向包括前、後、左、右(上、下),使用無電波反射室(需符合16點均勻場之規定),試件至天線距離3米,可加振幅調變。

電場輻射耐受性測試(橫電磁波室法,10kHz∼200MHz)

參考規格︰ISO 11452-3(10kHz∼200MHz)

橫電磁波室法電場輻射耐受性測試︰以ISO 11452-3為例,如圖12所示,使設備盡可能置於接近地電位處,待測件尺寸最好符合三分之一原則,連接線和電源線保持在底板上面4∼6cm處。待測件應在它直立位置之兩個方向上進行測試,一個方向使設備前面板,沿著橫電磁波室長度方向。另一個方向使設備之前面板,對著錐形過渡段方向。設定對待測件耐受性之頻率和最小場強或按規定之極限值作耐受性試驗,試驗頻率不應超出正常之工作頻率範圍。

其他較常用之電磁耐受性測試

靜電放電耐受性測試(ESD)︰參考規格IEC 1000-4-2 (如圖13所示靜電放電波形),模擬人體所帶靜電對產品之影響。試驗點包括所有接觸面(如圖14所示),空氣放電加至15kV,接觸放電加至8kV(含垂直與水平耦合),試驗次數分正負極性,至少各放電10次,試驗間隔一般約1秒鐘,靜電放電測試前後要同時監測待測件功能是否正常,以判定是否合格。電性快速暫態耐受性測試(EFT/Burst)︰參考規格IEC 1000-4-4(如圖15所示快速暫態波形),干擾頻率為5kHz,試驗水準分0·25kV∼4kV,雜訊脈衝型式在5/50ns,試驗模式用來干擾電源線與訊號線,雜訊耦合模式可分直接入與電容性線夾,試驗方法分正負極性,不同兩線接法均可測試測試前後要同時監測待測件功能是否正常,以判定是否合格。

  

 

雷擊突波耐受性測試(Surge)︰參考規格IEC 1000-4-5 (如圖16所示雷擊突波波形),模擬雷擊誘導與電感性負載切換,試驗水準為 0.5kV∼4kV,脈衝型式在 1.2/50us(8/20us),10×700us;試驗模式可分電源線與訊號(通訊)線,試驗方法包括正負極性、相位,不同兩線接法均可測試,測試前後要同時監測待測件功能是否正常,以判定是否合格。

電源頻率磁場耐受性測試︰參考規格IEC 1000-4-8(如圖17之測試架構),模擬電流流經電力線所產生之電源頻率磁場,模擬器須提供連續120A與暫態1200A之電流,經誘導線圈注入電流(sinusoid)產生干擾源,試驗水準包括1,3,10,30,100A/m;試驗方向可分前後、左右、上下;試驗環境電磁場至少需低於試驗條件20dB以上,試件至誘導線圈距離約為試件直徑之1/3,測試前後要同時監測待測件功能是否正常,以判定是否合格。電壓瞬降瞬斷耐受性測試︰參考規格IEC 1000-4-11(如圖18之測試架構),模擬電源暫態快速變動與緩慢連續變動,試驗模式祇有電源線,試驗水準包括0%,40%,70%;持續週期可分 0.5,1.5,10,25,50 cycles︰侵入電流為100-120V/250A,220-240V/500A等;試驗方法包括變動相位範圍0∼360度,間隔範圍3dips/s;電壓上升、下降速率範圍1∼5us等等,測試前後要同時監測待測件功能是否正常,以判定是否合格。電磁相容性測試可以採用人工操作及自動控制操作之方法,由於人工操作在電磁干擾發射(EMI)測試中要手動調諧,隨不同頻率點校準及鑑別寬、窄頻帶;在電磁耐受性(EMS)測試中隨不同頻率點調諧,確定施加訊號強度,人為觀察動態,以判定是否合格。因而使得人工操作測試速度慢,重複性差,難以進行實際測量。採用電腦控制之EMI、EMS自動測試系統有測試靈活、誤差小與重複性好等優點,而且可以進行即時測試,目前國內業者已經普遍使用。

結 語

電磁相容性測試基本上已經在驗證產品量產前是否符合電磁相容規範,但是,就筆者之經驗,顯示顧客層中(包括軍規與商規業者)百分之八十五之設計者都在產品研發後期,才來考慮電磁相容設計,這時要作EMI問題的修改,往往捉襟見肘,無法克盡全功。因此,祇有在研究新型產品之初期,擬訂產品電磁相容設計整體規劃書及電磁相容設計指南,才能有系統地整合接地、佈線、搭接、濾波、包裝與隔離等根本因素,完成符合電磁相容設計之佈局。

參考資料

1, CISPR PUB· 22, 17, IEC-1000-4-8,
2, CISPR PUB· 16, 18, IEC-1000-4-11,
3, CISPR PUB· 15, 19, ISO-11451-2,
4, CISPR PUB· 14, 20, ISO-11451-3,
5, CISPR PUB· 13, 21, ISO-11451-4,
6, CISPR PUB· 12, 22, ISO-11452-2,
7, CISPR PUB· 11, 23, ISO-11452-3,
8, MIL-STD-461D, 24, ISO-11452-4,
9, MIL-STD-462D, 25, ISO-11452-5,
10, IEEE-299-1997, 26, ISO-11452-6,
11, MIL-STD-285, 27, ISO-11452-7,
12, IEC-1000-4-2, 28, FCC PART 15J,
13, IEC-1000-4-3, 29, FCC PART 18,
14, IEC-1000-4-4, 30, JASO 7637-1,
15, IEC-1000-4-5, 31, JASO 7637-2,
16, IEC-1000-4-6, 32, JASO 7637-3,

 

文/李煥松 (自電子月刊轉載)