设计制造中的电磁兼容测试

本文介绍了什么时候需要电磁兼容整改及常见的电磁兼容整改，并从电磁骚扰发射测试、谐波电流测试及瞬态脉冲抗扰度测试三个方面介绍了如何顺利通过电磁兼容试验。1．概述
1.1 什么时候需要电磁兼容整改及对策
对一个电子、电气产品来说，在设计阶段就应该考虑其电磁兼容性，这样可以将产品在生产阶段出现电磁兼容问题的可能性减少到一个较低的程度。但其是否满足要求，最终要通过电磁兼容测试检验其电磁兼容标准的符合性。
由于电磁兼容的复杂性，即使对一个电磁兼容设计问题考虑得比较周全得产品，在设计制造过程中，难免出现一些电磁干扰的因素，造成最终电磁兼容测试不合格。在电磁兼容测试中，这种情况还是比较常见的。
当然，对产品定型前的电磁兼容测试不合格的问题，我们完全可以遵循正常的电磁兼容设计思路，按照电磁兼容设计规范法和系统法，针对产品存在的电磁兼容问题重新进行设计。从源头上解决存在的电磁兼容隐患。这属于电磁兼容设计范畴。
而目前国内电子、电气产品比较普遍存在的情况是：产品在进行电磁兼容型式试验时，产品设计已经定型，产品外壳已经开模，PCB 板已经设计生产，部件板卡已经加工，甚至产品已经生产出来等着出货放行。
对此类产品存在的电磁兼容问题，只能采取“出现什么问题，解决什么问题”的问题解决法，以对产品的最小改动使其达到电磁兼容要求。这就属于电磁兼容整改对策的范畴，这是我们这次课程需要探讨的问题。
1.2 常见的电磁兼容整改措施
对常见的电磁兼容问题，我们通过综合采用以下几个方面的整改措施，一般可以解决大部分的问题：可以在屏蔽体的装配面处涂导电胶，或者在装配面处加导电衬 垫，甚至采用导电金属胶带进行补救。导电衬垫可以是编织的金属丝线、硬度较低易于塑型的软金属(铜、铅等)、包装金属层的橡胶、导电橡胶或者是梳状簧片接 触指状物等。
在不影响性能的前提下，适当调整设备电缆走向和排列，做到不同类型的电缆相互隔离。改变普通的小信号或高频信号电缆为带屏蔽的电缆，改变普通的大电流信号或数据传输信号电缆为对称绞线电缆。
加强接地的机械性能，降低接地电阻。同时对于设备整体要有单独的低阻抗接地。
在设备电源输入线上加装或串联电源滤波器。
在可能的情况下，对重要器件进行屏蔽、隔离处理，如加装接地良好的金属隔离板或小的屏蔽罩等。
在各器件电源输入端并联小电容，以旁路电源带来的高频干扰。
下面，我们分别就电子、电器产品在传导发射、辐射发射、谐波电流、静电放电、电快速脉冲、浪涌等电磁兼容测试项目试验过程中较常出项的问题及解决方案和补救措施与大家共同探讨。
我们根据各项目的特点，将这些内容分为三大类分别进行讨论：
电磁骚扰发射类：传导发射、辐射发射
谐波电流类
瞬态脉冲抗扰度类：静电放电、电快速脉冲、浪涌冲击
2．电磁骚扰发射测试常见问题对策及整改措施
对于电磁发射测试对策及整改，我们将在下个专题《电子产品 3C 认证检测中常见电磁兼容问题与对策》中以AV 和IT 类产品为例加以详细探讨，在这儿仅进行一些提纲性介绍，不再深入展开探讨。
2.1 电子、电气产品内的主要电磁骚扰源
设备开关电源的开关回路：骚扰源主频几十kHz 到百余kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。
设备直流电源的整流回路：工频整流噪声频率上限可延伸到数百kHz；高频整流噪声频率上限可延伸到数十MHz。
电动设备直流电机的电刷噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。
电动设备交流电机的运行噪声：高次谐波可延伸到数十MHz。
变频调速电路的骚扰发射：骚扰源频率从几十kHz 到几十MHz
设备运行状态切换的开关噪声：噪声频率上限可延伸到数百MHz。
智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰：骚扰源主频几十kHz 到几十MHz，高次谐波可延伸到数百MHz。
微波设备的微波泄漏：骚扰源主频数GHz。
电磁感应加热设备的电磁骚扰发射：骚扰源主频几十kHz，高次谐波可延伸到数十MHz。
电视电声接收设备的高频调谐回路的本振及其谐波：骚扰源主频数十MHz 到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。
信息技术设备的及各类自动控制设备数字处理电路：骚扰源主频数十MHz 到数百MHz，高次谐波可延伸到数GHz。
2.2 骚扰源定位
2.2.1 根据测量曲线定位：
依据：超标骚扰频率范围、超标骚扰频域分布、窄带骚扰还是宽带骚扰等
根据被测设备工作方式和内部结构定位：
有没有使用标准不建议使用的半波整流和对称/非对称电源调整电路？
内部结构中电路板布局是否合理？
内部电缆走线是否合理？
内部滤波器（滤波电路）安装是否合理？
内部电路接地和搭接方式是否合理？
机箱屏蔽是否满足对应产品的需求？
2.2.2 根据被测设备组成和功能定位：
设备内部有否二次电源，其工作方式？
设备内是否有驱动电机，电机类型？
设备内是否有变频调速电路？
设备内是否有数码控制或智能控制电路？是否使用晶振？
设备内是否存在程控的继电器或开关电路？
设备正常工作是否利用电磁波或微波？
设备内是否存在工作中的无线收发电路？
2.2.3 根据功能模块工作情况进行故障定位：
若设备的各个模块可以暂停和恢复工作，可以通过逐个暂停这些模块的工作来判断骚扰来源。
若模块不可以独立暂停和恢复工作，可以通过与设备其它功能模块一起组合进行暂停和恢复工作，从而判断骚扰的大概来源。
若模块不可以独立暂停和恢复工作，可以通过与其它设备的合格功能模块一起组合进行暂停和恢复工作，从而判断骚扰的大概来源。
对怀疑骚扰超标的模块，可以用置换的方式来进行骚扰判定。
2.3 电子、电气产品连续传导发射超标问题及对策
家电类产品连续传导骚扰标称测量频率范围148.5kHz-30MHz（实际为150kHz-30MHz）。
测量分别在电源端子及负载端子和附加端子上进行。
连续传导骚扰的主要来源：
开关电源的开关频率及谐波骚扰、电源整流回路的整流噪声、
交流电机的运行噪声、直流电机的电刷噪声、
电磁感应加热设备的电磁骚扰、
智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰等
当我们通过骚扰定位方式找到超标点的骚扰来源后，
即可采用相对应的骚扰抑制措施。
（针对故障定位及传导骚扰来源分别展开说明）
对一般的电源端连续传导骚扰可以通过以下的电路加以抑制：


图 1：交流电源滤波网络

对于负载端子和附加端子的传导骚扰可以通过以下的电路加以抑制


图2：直流输出滤波网络

无论是对电源端子、负载端子和附加端子采取抑制措施，若使用独立的滤波器时，需注意其安装方式。


图3：滤波器的安装方法

2.4 电子、电气产品断续传导发射超标问题及对策
家电类产品断续传导骚扰标称测量频率范围148.5kHz-30MHz（实际为150kHz-30MHz）。
测量在电源端子上进行，喀呖声测量的频率点为：150kHz、500kHz、1.4MHz、30MHz
断续传导骚扰的主要来源：
恒温控制器具，程序自动的机器和其他电气控制或操作的器具的开关操作会产生断续骚扰。
此类操作一般通过继电器和程控电子/机械开关等实现。
此类骚扰一般由继电器、开关的触点抖动及非纯阻负载通断所产生的电涌冲击形成。
可采用相对应的骚扰抑制措施主要针对以上两个方面进行。
2.5 电子、电气产品辐射骚扰超标问题及对策
电子、电气产品辐射骚扰场强测量频率范围30MHz-1000MHz。
测量一般在开阔场或半电波暗室中进行。
辐射骚扰的主要骚扰来源：
开关电源的开关频率及谐波骚扰
交流电机的运行噪声、直流电机的电刷噪声
电磁感应设备的电磁骚扰
智能控制设备的晶振及数字电路电磁骚扰等
当我们通过骚扰定位方式找到辐射骚扰超标点的骚扰源后，即可采用相对应的骚扰源抑制措施。（针对故障定位及骚扰来源分别展开说明）
一般来说，首先抑制骚扰源，这可以通过优化电路设计、电路结构和排版，加强滤波和正确的接地来达到。其次是要切断耦合途径，这可以通过正确的机壳屏蔽和传输线滤波达到。
3．谐波电流测试常见问题对策及整改措施
对于由交流市电供电的电子、电气产品，谐波电流是一个很重要的电磁兼容测量项目。
在低压市电网络使用的电子电气设备，其供电电压是正弦波，但其电流波形未必是正弦波，可能有或多或少的畸变。大量的此类设备应用，会造成电网电压波形畸变，使电网电能质量下降。


图4：高压整流电路及对应的畸变电流波形

一个周期函数可以分解为傅立叶级数，表示为多级正弦函数的和式，即可把周期信号当作是正弦函数的基波与高次谐波的合成。
所以，我们可以将设备的畸变电流波形分解为基波和高次谐波，通过特定的仪器测量高次谐波含量，就可以分析出设备电流波形畸变的程度。这些高次谐波电流分量我们简称为谐波电流。


图6：畸变电流波形的傅立叶展开示意图

当电网中存在过量的谐波电流，不仅会使发电机的效率降低，严重时还会造成发电机和电网设备的损坏，同时还会影响电网用户设备的正常工作，比如计算机运算出错，电视机画面翻滚。
正是出于保护共用电网电能质量，保障电网和用户设备的正常进行，IEC 提出了谐波电流限值标准。
谐波电流测试不适用于由非市电的低压交、直流和电池供电的电子、电气产品。
3.1 测量标准介绍
下面以GB17625.1 标准为例，对谐波电流的测量作一个简要介绍。
标准名称：GB17625.1-2003 idt IEC61000-3-2:2001 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》
GB17625.1-2003 是众多电子电器产品认证检验的一个重要依据标准。该标准测量和限制的就是由低压市电供电的电子、电气产品（设备每相输入电流≤16A）在使用时其供电电流波形畸变的程度。
GB17625.1-2003 标准是通过限制设备电流的高次谐波分量的大小来限制设备电流波形的畸变的。GB17625.1 考虑到第40 次谐波电流含量。
3.1.1 标准的适用范围
该标准只对接入频率为 50Hz/60Hz、相电压为220V/230V/240V 的低压供电系统且每相输入电流不大于16A 的设备提出谐波电流限值要求。
该标准是一个通用电磁兼容标准。适合于本标准的产品类别较多，如家用电器、电动工具、电气照明设备、信息技术设备、影音设备等等。
3.1.2 设备的分类
分类是按照谐波电流限值不同而进行的。
A 类：平衡的三相设备;
家用电器，不包括列入D 类的设备；
工具，不包括便携式工具；
白炽灯调光器；
音频设备；
以及除以下几类设备外的所有其他设备。
B 类：便携式工具；不属于专用设备的电弧焊设备
C 类：照明设备
D 类：有功功率不大于600W 下列设备：个人计算机和个人计算机显示器；电视接收机。
B 类、C 类和D 类设备定义比较简单，A 类的区分比较复杂。
3.1.3 谐波电流限值
下列类型设备的限值在该标准中未作规定：
额定功率75W 及以下的设备，照明设备除外（将来该值可能从75W 减小到50W）；
总额定功率大于1kW 的专用设备；
额定功率不大于200W 的对称控制加热元件；
额定功率不大于1kW 的白炽灯独立调光器。
（通常有生产厂家利用此条的限制项来达到免于进行谐波电流限制的目的）
3.1.3.1 A 类设备的谐波电流限值
A 类设备的谐波电流限值见标准相应表格，限值是有效值，单位为安培。该限值是固定值，与产品的功率和基波电流大小不相关。
3.1.3.2 B 类设备的谐波电流限值
B 类设备的谐波电流限值是A 类设备的限值的1.5 倍。
3.1.3.3 C 类设备的谐波电流限值
a）有功输入功率大于25W
对于有功输入功率大于25W 的照明电器，谐波电流不应超过C 类设备的相关限值。该限值与产品基波电流大小不相关。
b）有功输入功率不大于25W
对于有功功率不大于25W 的放电灯，标准规定了其特定的合格判定条件。
3.1.3.4 D 类设备的谐波电流限值
a）只限制奇次谐波电流。
b）奇次谐波电流不仅要符合最大允许谐波电流，还要符合“每瓦功率允许的最大谐波电流”。
可以说对D 类设备的要求是比较严格的，而实际情况却是D 类设备的谐波电流往往比较大。
该规定是考虑到D 类设备应用非常广泛，又经常是连续运转，客观上又经常同时使用。如此多的D类设备同时工作，它们产生的谐波电流在合成（矢量合成）后对电网电能质量的影响将是不能不考虑的。
3.1.4 谐波电流测量仪器
谐波测量设备一般由两部分组成：精密电源单元与测量仪表单元。
要求电源部分能向被测设备提供良好波形的电压源、负载能力和平坦的阻抗特性。
标准规定测量仪表单元必须是离散付氏变换（FFT）的时域测量仪器，能够连续、准确地同时测量全部各次谐波所涉及的幅值、相位角等需要量。
目前实验室多采用以FFT 为频谱分析原理的谐波测量仪。测量仪的前级为采样电路、模-数变化器，后级是FFT 分析仪（可以利用PC 机实现）。
3.1.5 试验条件