电磁兼容-EMC

1.EMC概念

電磁兼容 (EMC; Electromagnetic Compatibility) 是指設備或系統在其電磁環境下能夠正常工作,並且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力. 簡單來說, 電磁兼容 包括二個方面; 電磁騷擾EMI和電磁敏感EMS

電磁騷擾(EMD; Electromagnetic Disturbance)又稱為電磁干擾 (EMI;

Electromagnetic Interference) 是電氣設備在運行中向外發出的電磁雜訊等騷擾, 引起在場的其他電氣產品或系統,性能下降,損害. 例如; 我們在乘坐飛機時, 需要將手機關機, 就是防止手機發出的電磁波騷擾飛機的電氣控制裝置. 電磁敏感性(EMS; Electromagnetic Susceptibility)又稱為抗擾性( immunity ) 就是指電氣產品抵抗電磁騷擾的能力, 或者,也可以認為電氣產品對電磁騷擾不敏感的程度. 越是不敏感, 抗擾性就越強.

在同一場合, 有二台電氣產品, 當二台產品通電運行時均能正常運行, 互不影響. 我們就說這二台電氣產品電磁相互相容 → 即相互相容了對方的存在. 這就是電磁相容名字的含義. 反之, 當第一台產品在正常運行時, 第二台產品開啟運行, 導致第一台產品的運行受到影響, 甚至不能運行, , 則稱這二台產品電磁不相容.

不相容的狀況有二種可能性, 一種是第二台產品發出的電磁騷擾波太強, 另一種是第一台產品抗擾性能力太弱. 太敏感了.

然而, 在我們生活的環境中, 不只是電氣,電子產品會產生電磁騷擾波, 成為電磁騷擾的源頭, 客觀環境中, 產生電磁騷擾波的源頭到處可見, 大致可分為自然騷擾源和人為騷擾源二種;

自然騷擾源主要包括; 閃電的衝擊電流及其引出的感應衝擊電流. 太陽和孙宙射線的干擾

人為騷擾源主要包括; 靜電放電, 核電磁脈衝, 各種電子電器設施, 汽車點火系統, 輸電電網, 等等, 人為的騷擾源幾乎到處存在. 舉一個簡單例子; 當你在關掉一個電燈時, 因開關內簧片脫離瞬間時產生火花, 這火花就會產生一個廣譜的輻射騷擾波, 以致於使你的開著的收音機會產生” 卡答”一聲., 也就是說開關在關斷過程中產生的火花騷擾了收音機的正常運行.

電磁騷擾源產生的騷擾信號有三個傳播途徑; 輻射, 傳導, 感應偶合.

為了使各種電氣,電子產品都能達到電磁相容的要求, 從IEC(國際電工委員會), CISPR(國際無線電干擾標準化組織), CENELEC(歐洲聯盟),FCC(美國聯邦通信委員會)等機構先後制定了一系列的EMC標準.. 中國國家技術監督局按照 IEC, CISPR等的主要EMC標準, 出版了相應的等同標準. 這些標準針對電氣電子產品的電磁騷擾和電磁敏感二個方面制定了十多個檢測項目, 如下所示;

電磁騷擾方面; 序號 檢測項目

1 傳導騷擾 2 輻射騷擾 3 諧波電流 4 電壓起伏與閃爍 電磁敏感方面 序號 檢測項目

5 靜電放電抗擾度 6 射頻電磁場輻射抗擾度 7 電快速瞬變脈衝群抗擾度 8 浪湧抗擾度

9 射頻場感應傳導騷擾抗擾度

縮寫 CE RE Flash 縮寫 ESD RS EFT Surge CS

IEC,CISPR標準 國家標準 CISPR 22 CISPR 22

GB 92 GB 92

Harmonic IEC61000-3-2 GB/T17625.1

IEC61000-3-3 GB/T17625.2 IEC標準

國家標準

IEC61000-4-2 GB/T17626.2 IEC61000-4-3 GB/T17626.3 IEC61000-4-4 GB/T17626.4 IEC61000-4-5 GB/T17626.5 IEC61000-4-6 GB/T17626.6 IEC61000-4-11 GB/T17626.11

10 電壓暫降,短時中斷,電壓變化抗擾度 VDI

以上的檢測專案也是YD/T 983 《通信電源設備電磁相容性限值及測量方法》標準中提出的通信電源檢測項目, 其中像傳導騷擾, 輻射騷擾, 諧波電流等項目是客戶最重視的技術指標, 往往會在客戶的標書中呈現.

2.電源產品的EMC檢測

EMC的10個檢測項目分為電磁騷擾和電磁敏感二類; 在客戶所提出的標書中, 傳導騷擾, 輻射騷擾, 這二個電磁騷擾的檢測項目是標書經常提到的技術指標,. 也往往代表了標書對產品在EMC方面的要求. 現將傳導騷擾, 輻射騷擾檢測項目介紹如下;

1. 傳導騷擾

電子電氣產品是通過輸入,輸出導線, 控制信號線和空間輻射的途徑向外發散電磁騷擾波的. 傳導騷擾檢測就是對電子電器產品的輸入導線, 輸出導線, 控制信號線上發散的電磁騷擾波進行測量. 在對通信電源產品的檢測中, 多數僅對電源的輸入線進行傳導騷擾的測試. 下圖就是MCS1800-A系統交流輸入線的傳導騷擾測試紀錄, 其中紫羅蘭色的曲線是測量到的傳導騷擾波的平均值(AV), 青綠色曲線是傳導騷擾波的準峰值(QP), 紅色的水平線是標準A級要求的準峰限值, 蘭紅色的水平線是標準B級要求的準峰限值, 圖中的準峰值沒有超過B級限值, 因此, 我們可以說MCS1800-A系統的傳導騷擾達到了B級水準.(CLASS B).

Level [dB礦]80706050403020100-10150k300k500k1M2M3M4M6MFrequency [Hz]10M30Mx+x+x xMES C40429CIM03N_fin QP + +MES C40429CIM03N_fin AV MES C40429CIM03N_pre PK MES C40429CIM03N_pre AV LIM EN 55022 V QP A Voltage QP LimitLIM EN 55022 V AV A Voltage QP Limit

2. 輻射騷擾

輻射騷擾就是對電子電氣產品向空間輻射電磁騷擾波的測量, 由於在自然空間存在大量的電磁波, 因此,輻射測量必須在屏閉室內進行, 同時,測試要求被測產品應是處在一個五個方面是無限的空間 也就是說, 五個面對電磁波是不能反射的. 這種屏閉室有3m, (5m), 10m, 30m四種規格,稱為3米法室,… 所謂的3m或10m 就是被測物與測量天線之間的距離是3m或10m, 標準的輻射騷擾檢測應在10米法室中進行, 由於10米法室建造費用昂貴 (約數千萬元), 所以, 測量的費用也很貴.本期附件就是10米法室在對別克橋車做輻射騷擾測量的照片. 供各位參閱.

輻射騷擾測量的過程是; 被測物放置在測試平臺上, 測量頻率為

30MHz-1GHz, 平臺做360° 的旋轉, 天線做1-4m的上下運動, 將水平, 垂直測量到的各頻率的最大準峰量值紀錄成曲線, 如下圖所示; 此為

MCS1800-A系統某次測試的紀錄, 其中藍色水平線是A級限值, 紅色水平線是B級限值. 可以看到系統是通過A級(Class A). 但還需要在30-50MHz頻段做進一步改善

Level [dB礦/m]8070605040302010030M40M50M70M100M200M300M400MFrequency [Hz]600M1GLIM EN 55022 F QP Field Strength QP LimitLIM EN 55022 F CLASSA Field Strength QP LimitMES STD_SUB1

3. EMC檢測與改善

上期談到輻射騷擾改善問題, 改善輻射騷擾的狀況, 就是抑制電路產生的輻射騷擾量, 在具體改善工作中, 我們經常會說在某個頻段要下降3dB,或 6dB, “dB” 這是個計算單位, 不是物理量綱, 減少 “6dB”, 意味要求將產品的輻射騷擾量下降到原來的一半. 輻射騷擾小於”40dB” 是達到A級水準, 但如客戶提出達到A級水準, 並有“6dB”裕量. 其實質就是要求產品的輻射量不能超過A級最大量的一半.

抑制輻射騷擾, 首先是要找”源”, 找出電路上產生輻射波的輻射源在哪裡? 找到輻射源, 先從改善電路, 佈局走線等, 以降低輻射源強度為優先, 如因電路等客觀原因不能解決, 則可採取加強遮罩, 改善接地, 強化濾波等方法來降低輻射的傳播. 電磁波是看不見, 摸不到, 它的產生和散發往往是很難想

到的, 必須借助專用儀器進行檢測, 有時, 無論怎樣想辦法, 都無法降低輻射量, 在幾乎絕望之中, 隨意改了一條小的接地線或走線 輻射一下子降低近10dB , 問題引刃解決, 頓時使人感到那種“眾裏尋他千百度, 驀然回首, 那人卻在, 燈火蘭珊處”之感覺.

產品諧波電流的檢測, 客戶也越來越關心, 諧波是相對交流電流基波而言的奇次波, 交流正弦電壓輸入整流模塊, 因模塊內部電路原因, 導致輸入交流電流失真, 產生奇次諧波, 這些奇次諧波就會反饋到電網上, 造成電網的污染. 所以, 電力局對電氣產品的諧波也有規定. 諧波測量可採用交流功率分析儀進行3 - 37次諧波的測試, 並做出各次諧波幅值的包絡線, 下圖為MCS6000 SMR 的諧波測試紀錄

其中, 紅線是 IEC61000-3-2 標準要求, 粉紅, 黃, 淺蘭線為 R,S,T三相線的諧波值包絡線.

mA2500负载100A200015001000500限值0R項S項T項35791113151719212325272931333537谐波次数

對於UPS, 逆變器, 因產品內部電路的變換等原因, 其輸出的交流電流也會含有諧波, 但因與實際負載相關, 客戶不是很重視.

電磁敏感度的檢測同電磁騷擾的檢測不同, 電磁敏感度的檢測是由儀器發出定值的幹擾量,

觀察產品在一定時間內的反應, 反應分四個現象; 1, 沒有影響. 2.影響運行(包括停機), 但幹擾消失

後可自動恢復正常運行. 3. 影響運行(包括停機), 但幹擾消失後必須重新開機, 才可恢復正常運行. 4. 影響運行(包括停機), 但幹擾消失後重新開機也不能恢復正常運行

以上四種現象, 第一種是完全合格, , 第二種是勉強合格, , 第三,四種是不合格.

必須注意到在輻射,傳導騷擾的測試, B級(CLASS B) 是更優秀的表示, 但在敏感度方面, 1-4種現象又被人分別稱謂 A,B,C,D 4個現象, 此時A是最優秀的., B級只是勉強合格. 所以, 必須要注意到這一點. 以免搞錯. 造成客戶誤解.

在電磁敏感度的檢測時, 儀器所發出的幹擾量也有等級之分, 例如; 射頻電磁場輻射抗擾度的檢測就有; 1 V/m, 3 V/m ,10 V/m , 3個等級之分..當然, 產品能通過的幹擾物理量越大, 證明產品能抗幹擾的能力越強

4. EMC 與產品品質

對電子產品而言, EMC不只是為了做認證而檢測, EMC 檢測的各個項目其實質是反映電子電氣產品在電磁兼容方面的狀態和能力. 如下說明;

傳導騷擾 → 反映產品運行對電網干擾的大小

輻射騷擾 → 反映產品對空間電磁場干擾的大小 諧波電流 → 反映產品對電網的高次諧波干擾的大小 電壓起伏與閃爍 → 反映產品對電網干擾的大小 靜電放電抗擾度 → 反映產品抵抗靜電的能力

射頻電磁場輻射抗擾度 → 反映產品抵御空間電磁場干擾的能力 電快速瞬變脈衝群抗擾度 → 反映產品抵御電網干擾脈衝波的能力 浪湧抗擾度 → 反映產品抵御電網雷電感應尖峰波能力 電壓暫降,短時中斷,電壓變化抗擾度 → 反映產品抵御電網各種異常干擾的能力

記得有這樣一個的故事; “在一個寺院內有一只銅鑄大鍾, 一天, 這只銅鑄大鍾突然鳴響起來, 宛如被人撞擊一般. 九九八十一下”嗡…嗡” 響聲可把寺里的和尚吓壞了, 以後, 這只銅鑄大鍾每天定時自鸣自唱. 搞得寺內和尚人心惶惶, 有的說這只銅鑄大鍾天天聽經書, 已修練成佛. 有的說是冤魂附體, 在鳴冤叫屈. 最後, 寺內請了位學者, 這位學者聽了鍾聲, 在寺外跑了幾天, 在距離寺外幾十里的地方找到了一個新建的寺院, 原來這個新建寺院在建造時, 主持到原寺院參觀, 覺得寺院的大銅鍾挺好. 請人按尺寸同樣做了一個, 造成二個鍾的固有頻率相同, 由於二個寺院離得不遠, 大鍾被撞擊時產生的鐘聲宏厚. 聲波傳得很遠, 尤其是低頻波, 次聲波傳得更遠, 雖然聲波經過幾十里的傳播, 已衰弱到人耳聽不出來, 但其振動波還是引起原寺院大銅鍾產生共鳴, 聲波能量被充分吸收釋放出共鳴聲. 這是機械振動波共鳴的典型例子.

電磁波也有同樣的特性, 當外界的電磁波通過輸入線, 輸出線, 信號線, 地線或空間串入電子產品的電路內, 如電磁波內某一個頻率正好與各電路所存在的, 所寄生的頻率相同, 就有可能在電路上產生干擾雜訊, 干擾脈衝. 例如; 我們的通信電源模塊內DC/DC全橋電路, 是四個功率MOSFET管二個串聯後並接在PFC電路後的400V電路上. 正常情況是串聯的二個功率MOSFET管是輪流開通, 在轉換開關狀態時, 還有很小的共同關斷的間隔時間. 但當控制電路受到干擾, 造成功率MOSFET管柵極電容電荷釋放延遲. 或因干擾造成誤發驅動信號. 從而出現串聯的二個功率MOSFET管同時開通現象. 此時, 交流輸入電壓的負載就是整流橋, 二極管, 電感線圈, 2個開通的功率MOSFET管, 全部阻抗僅幾歐姆. 此時輸入電流非常大, 此條回路上的元器件都承受大大超過元器件規格的電流衝擊. 元器件溫度極速上升, 如此時有一個功率MOSFET管被燒斷(或炸開). 導致電路斷開, 則其他幾個元器件就不再損壞. 如電流極大, 那就是二個功率MOSFET管, 甚至整流橋一齊炸掉.. 我們在分析這種故障時, 往往認為是功率MOSFET管品質不良, 或輸入電壓過高等, 但可以肯定說;這些故障中, 有因被干擾造成的模塊損壞的. 一位國內著名的EMC專家在給我們上課的時侯就說過; 電子產品發生故障, 只要找不出真正的原因, 那肯定就是產品的EMC問題未解決.

電磁干擾波無處不存在, 而且各地各時的干擾波也不相同, 造成的結果也不相同, 有干擾整流模塊的,也有干擾監控模塊的. 為了確保電子產品在各種環境下都能正常運行, 提高產品的抗干擾能力和降低對外干擾的強度, 已是提高電子產品品質迫切需要解決的問題. EMC指標已是評價電子產品品質的一個重要方面. 這也就是目前客戶越來越強調 EMC 指標的原因.

5. EMC與 產品的銷售貿易

電磁波的輻射, 如果超過一定的輻射強度, 則對人體是由傷害的, 電子產品的輻射, 傳導等干擾, 會污染電網, 影響其他電子產品的使用, 所以, 歐洲, 北美率先提出EMC的標準, 國際上IEC. ITU等組織也提出不少EMC標準. 目前, 國際上已有完整的EMC 標準體系.

但這些EMC標準的提出, 並不是僅僅是為EMC技術而訂, 同時,也是為了貿易而訂. “WTO”是世界貿易組織的縮寫, WTO的原則是減少海關的貿易壁壘, 減少關稅. 有利與貿易的流通. 然而, 每個國家實際上都想把自己的國內市場保護起來, 儘量不讓國外的產品打進來. 但又希望去佔領國外市場. 以前的海關關稅就是岀於這種考慮. 現在, 採用海關關稅的方式不行了, 西方先進的國家又提出了”TBT”原則, 建立了”技術壁壘”. 當然, 建立技術壁壘是要有充分的理由. 對於電子產品來講.安全規定和EMC就是極好的理由. 要保證使用產品人員的人身安全, 要防止污染, 當然包括電網的污染. 要不影響其他產品的使用等理由, 各國紛紛規定了對進口產品安全規則, 包括EMC檢測要求. EMC技術是個高科技技術. 技術水準不高的企業, 往往產品達不到EMC標準要求, 自然也就被阻擋在技術壁壘之外, 進不了先進國家, 而先進國家產品, 可以很輕鬆地進入第三世界國家, 這就是技術壁壘.

也許有人會說, “現在不做國外貿易, EMC方面是否可以不要求了. 以前的入網, 現在泰爾認證都沒有要求檢測. “. 我們認為雖然目前沒有檢測要求, 不等於EMC不重要. 一方面EMC是反映產品品質重要技術指標. 另一方面, EMC檢測是遲早會被要求的. 因為, 國家也要求不斷提高電子產品品質, 同時, 根據WTO的”國民待遇原則”. 對來中國做貿易的國外企業, 應給予同樣的國民待遇. 也就是國家如不對國內企業要求的規定, 同樣也不能對國外企業要求. 如果中國對國外產品沒有EMC要求, 那國外的拉圾產品就會蜂擁而至. 這顯然示不可能接受的, 只是目前是中國進入WTO的過渡期, 有些要求延遲了, 那是正常的, 但這樣的時閒已不多了.

像MOTOROLA, 華為等大公司, 對產品的EMC 都要求較高. 各大運營商業紛紛提出了EMC指標要求. 所以, 我們也應對EMC 予以充分重視 !.