EMC测试标准与实践：EMI/EMS详解及DIY近场探头

2024-06-03 11:57:27 1167

继《电磁兼容性（EMC）测试标准和纠正指南：问题、流程与策略优化》之后，INFINITECH将持续深入探讨EMC测试的范畴，阐述电磁兼容性能的评估方法，并指导如何简便地自制近场探头以辅助检测。同时，本文将汇总并解析电磁兼容性实践中常见的问题及其应对策略，以为读者们提供一套全面的解决方案框架。

1、EMC测试

EMC测试是确保电子设备能够在预期的电磁环境中正常运行而不对其它设备造成不可接受的电磁干扰，同时该设备也应具备一定的抗干扰能力。EMC测试主要分为两大类别：EMI（电磁干扰）和EMS（电磁敏感度或电磁抗扰度）。下面INFINITECH详细列出这些测试项目的具体内容：

EMI（电磁干扰）测试项目包括：

辐射发射（ RE）：测试设备在运行过程中向周围空间辐射的电磁能量是否超过规定限值。

传导干扰（ CE）：检测设备通过电源线、信号线等导体传导出去的电磁干扰水平。

谐波电流：测量设备电流中除基波以外的各次谐波成分，以评估对电网的污染程度。

电压变化和闪烁：评估设备接入电网后引起的电压波动和灯光闪烁现象，特别是对于敏感负载如照明设备的影响。

EMI（电磁干扰）测试

EMS（电磁敏感度）测试项目包括：

静电放电（ ESD）：模拟人体或物体产生的静电放电对设备的冲击，测试设备的承受能力。

射频电磁场抗扰度（ RS）：评估设备在高功率射频场中的工作稳定性。

电快速瞬变/脉冲群抗扰度（EFT/B）：模拟电源线上出现的快速瞬态脉冲群，测试设备的抗冲击能力。

浪涌/雷击抗扰度：模拟雷电或电力系统操作引起的过电压浪涌，检查设备保护机制的有效性。

传导抗扰度（CS）：评估设备对沿电源线或信号线传导的干扰的抵抗能力。

工频磁场抗扰度（ PMS）：测试设备在强工频磁场下的性能稳定性。

电压跌落、短时中断和电压变化抗扰度（ DIP）：模拟电网电压的突然下降、中断和恢复过程，验证设备能否维持正常工作。

每项测试都有相应的国际或国家标准（如IEC 61000系列），具体的测试条件、限值和方法会根据设备类型和应用环境有所不同。

2、如何描述电磁兼容性能？

电磁兼容（EMC）性能描述了一个设备或系统在电磁环境中既不产生过度的电磁干扰（EMI），又能承受一定水平的外部电磁干扰而不降低其预期功能的能力。这种性能通常通过一系列量化指标来评估，其中最常用的单位之一是分贝（dB），因为它能够以对数尺度表达宽广范围的量值，便于理解和比较。

分贝（dB）是一个无量纲的单位，用来表示两个量的比值的对数。在电磁兼容领域，分贝常用于表示功率或电压/电流的相对大小，尤其在测量电磁干扰和设备的抗扰度时。分贝值（dB）可以通过以下公式计算得出：

分贝值（dB）计算公式

其中，测量值是你实际测量得到的功率或电压/电流，而参考值是一个预设的标准值，不同的分贝单位对应不同的参考值。

例如，dBm是一个以1毫瓦（mW）为参考值的功率电平单位，计算公式为：

dBm计算公式

而对于dBmV，这是一个在有线电视（CATV）系统中常用的单位，以1毫伏有效值（mVrms）为参考值来衡量电压。转换公式为：

dBmV的计算公式

这里的20系数是因为功率与电压的平方成正比（P ），因此当涉及电压时，分贝的计算会乘以20而非10。

dBμV是另一个类似的单位，但参考值是1微伏（μV），常用于低电平信号的测量，转换方法与dBmV类似，只是参考点不同。

在描述电磁兼容性能时，可能会涉及到多个dB单位的转换，例如从dBm转换到dBμV，以适应不同测试条件或规范要求。这些转换帮助工程师评估设备的电磁干扰水平或其抵御特定电磁干扰的能力，并确保产品符合相应的EMC标准和法规要求。

3、电磁兼容设计中屏蔽材料的选择依据

电磁兼容（EMC）设计中，屏蔽材料的选择依据主要包括以下几个方面：

3.1电磁波的频率范围：如您所述，屏蔽材料的选择确实与所要屏蔽的电磁波类型（频率）紧密相关。高频电磁波（如射频和微波）通常可以被高电导率的金属材料有效屏蔽，因为这类材料能很好地反射电磁波。常见的如铜、铝、钢板等，它们对电磁波的反射能力强，适合作为高频段的屏蔽材料。而对于低频电磁波，由于其波长较长，更易穿透金属屏蔽，这时就需要使用高导磁率材料，如铁、硅钢片等，这些材料能有效引导低频磁场并将其转化为热能消耗掉。

3.2屏蔽效能：理想的屏蔽材料应能提供足够的屏蔽效能，即对电磁波的衰减程度。这取决于材料的电导率、磁导率、厚度以及屏蔽结构的设计。

3.3环境因素：使用环境也是选择屏蔽材料的重要依据，包括温度范围、湿度、化学腐蚀性等因素。例如，在潮湿或腐蚀性环境下，可能需要选择耐腐蚀的材料或进行特殊的表面处理。

3.4机械性能与加工性：材料的机械强度、重量、可加工性和成本也是实际应用中必须考虑的因素。虽然某些金属材料屏蔽效果好，但可能因密度大、加工难度高或成本昂贵而受限。

3.5安装和维护的便利性：材料和结构设计需考虑安装的便捷性及后期维护的可能性，如可拆卸式屏蔽罩、屏蔽窗和通风孔的设计等。

3.6法规和标准：不同行业和地区对于EMC有具体的标准和要求，选择屏蔽材料时需确保符合相应的法规和标准。

4、频谱分析仪为何难以观测到静电放电等瞬态干扰？

频谱分析仪难以观测到静电放电(ESD)等瞬态干扰的原因主要是由其工作原理和设计特性所决定的：频谱分析仪本质上是一种窄带扫频接收机，它通过在不同频率上顺序扫描来测量信号的功率分布。这意味着在任意给定时间点，它只能“看”到一个窄频率范围内的信号，而不是整个频谱的同时视图。为了提高信噪比并减少噪声影响，频谱分析仪通常采用较长时间的采样和平均处理。这对于稳定的连续信号是有利的，但对瞬态干扰（如ESD，其持续时间通常在纳秒级别）而言，这些短暂的事件在频谱分析仪的采样窗口内可能完全被错过或者被平均掉了，从而无法被有效捕捉。静电放电等瞬态干扰具有极高的峰值功率和极短的持续时间，其频谱范围可能非常宽。由于频谱分析仪的窄带扫描和较慢的响应特性，它无法迅速响应这样快速变化的信号，尤其是在宽频率范围内。大多数频谱分析仪没有针对这些瞬态事件的精确触发机制，无法在干扰发生的精确时刻捕获数据，这也是导致它们难以观测瞬态干扰的一个重要因素。

频谱分析仪测试静电放电等瞬态干扰

因此，尽管频谱分析仪是分析信号频谱的强大工具，但对于捕捉快速瞬态干扰，通常需要使用其他类型的仪器，如高速示波器或专门的瞬态探测设备，这些设备具有更快的采样率和更宽的瞬时带宽，能够更好地捕捉和分析这些短暂的脉冲干扰。

5、自制简易近场探头详细教程

制作一个简易的近场探头，特别是用于辅助电磁干扰(EMI)现场诊断的电场探头，可以利用常见的同轴电缆来完成。下面是一个简化的步骤指南，用于创建一个基本的电场探头：

自制简易近场探头

所需材料

同轴电缆一段（建议使用具有足够屏蔽层的同轴电缆，如RG58、RG59等）
剥线钳
绝缘胶带或热缩管
可选：剪刀、焊接工具（如果需要固定连接）

制作步骤

准备同轴电缆：首先，选择一段适当的同轴电缆长度，通常是几厘米到几十厘米，具体长度根据你需要探测的频率范围和应用场景调整。较短的探头适用于更高频率的信号检测。
剥开电缆：使用剥线钳小心地剥开同轴电缆的外层绝缘层，露出内部的屏蔽层（编织网或箔层）。注意保持屏蔽层的完整性，避免损坏。
分离屏蔽层：将屏蔽层与内部的绝缘层分开一小段距离（约几毫米），露出核心导体。对于编织网屏蔽，可以轻轻向后折叠，对于箔层加编织网的电缆，可能需要小心剥离或切割箔层。
修剪屏蔽层：根据需要，你可以修剪屏蔽层的末端，使其平整或形成特定形状（如尖端或环形），这有助于聚焦探头的敏感区域。
保护和固定：使用绝缘胶带或热缩管覆盖裸露的屏蔽层和核心导体的连接处，以防短路，并确保探头的机械稳定性。
制作完成：现在，你已经制作了一个简易的近场探头。探头的屏蔽层（或其一部分）作为接地参考，而核心导体则用于感应电场。使用时，将探头靠近被测电子设备或电路板，通过示波器或其他测量设备连接探头，可以辅助诊断电磁干扰源。