可靠性试验之“EMI试验”

本篇文章着重介绍了EMC系列试验中的EMI试验，其中包括RE（辐射发射）和CE（传导发射）两种试验。在实际应用中，RE和CE是最常用的。本文将详细介绍RE和CE试验的目的、标准、设备、方法、试验结果和判定。

1、RE（辐射发射）

RE（辐射发射，也称为辐射骚扰）测试的目的是测量被测设备通过空间传播的辐射骚扰场强，即被测试设备及其组件对同一环境中其他设备的影响。该测试可分为磁场辐射和电场辐射两种类型。

1.1、测试目的

辐射发射（Radiated Emission）测试，是测量EUT通过空间传播的辐射骚扰场强（被测试设备及其组件对同一环境中其他设备的影响）。可以分为磁场辐射、电场辐射。

1.2、测试标准

常见的EMI测试标准主要包括CISPR和EN两个系列，GB主要就是翻译CISPR/EN，具体如下：

- CISPR 11(GB4824): 工业、科学和医疗（ISM）设备和电火花腐蚀设备的电磁骚扰特性的限值和测量方法。

- CISPR 12(GB14023): 整车及汽车零部件的电磁骚扰特性的限值和测量方法，用于保护外部接收器。

- CISPR 13: 广播和电视接收器及其相关设备的电磁骚扰特性的限值和测量方法。

- CISPR 14-1(GB4343.3): 家用电器、电动工具和类似设备的电磁兼容性要求——第1部分：辐射骚扰。

- CISPR 15(GB17743): 电气照明和类似设备的无线骚扰特性的限值和测量方法。

- CISPR 22(GB 9254): 信息技术设备的无线骚扰特性的限值和测量方法，例如通信设备和信息技术设备。

CISPR 25 (GB18655) is a standard that establishes limits and measurement methods for protecting on-board receivers in vehicles, boats, and internal combustion engines from electromagnetic disturbances. It aims to prevent radio disturbances caused by vehicle components.

IEC/EN 61000-6-3 is a standard that focuses on emissions produced by residential, commercial, and light-industrial environments. It specifies emission limits for devices connected to public low-voltage power supply networks.

IEC/EN 61000-6-4 is a standard that addresses emissions produced by industrial environments. It specifies emission limits for devices connected to public low-voltage power supply networks.

IEC/EN 61000-3-2 is a standard that concerns harmonics generated by devices with rated current less than 16 A.

IEC/EN 61000-3-3 is a standard that addresses flicker produced by devices with rated current less than or equal to 16 A.

IEC 61000-3-4 is a standard that concerns devices with rated current greater than 16 A.

IEC/EN 61000-3-12 is a standard that addresses devices with rated current greater than 16 A but less than 75 A.

The main difference between CISPR and EN is that CISPR is published first, and then the European Union discusses whether to adopt CISPR standards in its meetings.

The difference between IEC and EN is that IEC is an international standards organization, which issues standards in English and French, while EN is a regional (European) standards organization. There are different versions of EN, such as EN (issued by the EU), BS EN (converted by the UK), DIN EN (converted by Germany), and NF EN (converted by France). However, in China, the most common version is BS EN due to the prevalence of English.

1.3 Test Equipment

The test equipment for RE testing includes:

- Electric field radiation: receivers (below 1 GHz), spectrum analyzers (above 1 GHz), anechoic chambers, and antennas (combination of biconical and log-periodic for below 1 GHz, and horn antennas for above 1 GHz).

- Magnetic field radiation: receivers, loop antennas, or small loop probe antennas.

- Disturbance power: receivers and power absorption clamps.

The receivers follow the requirements of CISPR16-1-1, the antennas and test sites follow CISPR16-1-4, and the absorption clamps follow CISPR16-1-3.

1.4 Test Methods

In RE testing, the height and polarization direction of the antennas, as well as the rotation angle of the turntable, need to be continuously changed to locate the maximum radiation point of the equipment. RE testing can be conducted in open fields, semi-anechoic chambers, or shielded rooms. The equipment under test (EUT) is placed in a semi-anechoic chamber and rotated on a turntable to find the maximum radiation point. The radiation signal is received by an antenna and transmitted to the receiver outside the anechoic chamber through cables.

The arrangement of test equipment is as follows:

- Electric field radiation: Desktop and floor-standing setups. The radiation emission results are closely related to the arrangement of the product, auxiliary equipment, and all cables included in the specimen.

- Magnetic field radiation: The size of the loop antennas restricts the maximum size of the EUT that can be tested. For example, with a 2-meter diameter loop antenna, the EUT with a length less than 1.6 meters can be placed at the center of the loop antenna for testing. According to CISPR11, electromagnetic ovens exceeding 1.6 meters are measured at a distance of 3 meters using a 0.6-meter diameter single-loop probe antenna, with a minimum height of 1 meter.

- Disturbance power: Desktop and floor-standing setups. The desktop equipment is placed on a non-metallic table at a distance of at least 0.8 meters from other metallic objects (usually the inner wall of the shielded room, with a minimum distance requirement of 0.4 meters according to CISPR14-1). The floor-standing equipment is placed on a non-metallic support with a height of 0.1 meters. The test cable (LUT) is arranged on a power absorption clamp guide with a height of 0.8 meters and a length of 6 meters. The absorption clamp is placed on the cable, and the current transformer end faces the EUT. If the EUT has other cables, they can be disconnected if it does not affect functionality. Otherwise, ferrite absorbers are used to isolate them.

Different tests have different frequency ranges. The electric field radiation is generally 30 MHz to 1 GHz (some products require testing above 1 GHz as per specific standards), the magnetic field radiation is 9 kHz to 30 MHz, and the disturbance power is 30 MHz to 300 MHz.

The test limits vary depending on the standard, with test sites at 3 meters, 10 meters, or other dimensions. The limits also vary based on the product classification (Group 1/2, Class A/B).

The whole testing process is as follows: [no further information provided].

30MHz-1GHz电场辐射的测试在半电波暗室中进行。被测装置在转台上以360度的角度旋转，天线在高度1-4m上下调节，寻找辐射的最大值。垂直和水平两种天线极化方向都被测量。

大于1GHz的电场辐射的测试针对工作频率超过108MHz的信息技术设备（ITE）和超过400MHz的工业、科学和医疗设备（ISM）进行。测试场地为3m，使用频谱仪进行测量。ITE设备的测试方法与30MHz-1GHz电场辐射的测试方法类似，结果用Peak和AV值表示。ISM产品的测试稍有不同，需要在全电波暗室中进行测试，天线与产品处于相同高度，不进行升降，转台仍然旋转以寻找辐射的最大值。

替代法测试是使用ERP（有效发射功率）代替实际测试，再将其转换为场强值。这种方法在射频测试中常常使用，但在常规电磁兼容性（EMC）测试中很少使用。替代法测试的目的是测试EUT的外壳辐射，需要移除所有可拆卸的电缆，并在不可拆卸的电缆上安装铁氧体磁环。首先使用天线A和接收机测量EUT的最大干扰值，然后使用天线B替代EUT进行测试，调整信号发生器的输出功率，直至接收机测量到相同的值。记录替代天线B的输入功率，即为EUT的外壳辐射功率。天线的选择取决于测试频率。

磁场辐射测试采用三环天线进行，样品放置在天线的中心位置。分别在X、Y、Z三个方向上测量磁场辐射的值。当采用单小环天线时，天线垂直放置在地面上，最低部分离地面高度为1m。由于是近场测量，并且考虑到地面的反射，所得到的值反映了EUT的水平和垂直磁场分量。

骚扰功率测试针对设备中所有长度超过25cm的电缆进行。由于在30-300MHz范围内，不同频点的骚扰在被测电缆中呈驻波形式分布，因此需要在测量过程中沿着导轨移动功率吸收钳，以寻找每个终测频点骚扰功率最大的位置（大致位于设备的半波长处）。

测试结果和评判分为A级和B级，与限值线进行比较，低于限值线为PASS，高于限值线为FAIL。

CE指的是传导发射（Conducted Emission），也称为传导骚扰（Conduct Disturbance）。

传导发射测试也被称为骚扰电压测试，涉及到所有有电源线的产品，包括很多直流供电产品，此外，信号/控制线在许多标准中也有传导发射的要求。通常使用骚扰电压或骚扰电流的限值（两者之间有相互转换的关系）来表示，灯具中的插入损耗测试（直接用dB表示）也属于传导测试范畴。

传导骚扰测试旨在衡量设备从电源端口、信号端口向电网或信号网络传输的骚扰。

测试标准包括CISPR22（信息技术设备）、CISPR14-1（家电和工具）、CISPR13（音频和视频设备）、CISPR15（照明设备）、CISPR11（工业、科学和医疗设备）以及其他产品和产品类别标准，这些标准引用了以上标准中的测试方法，其中以CISPR22最为常见。详细的标准内容请参考第1.2章节。

进行传导骚扰测试所需的设备包括接收机、线路阻抗稳定网络（LISN，也称为AMN人工电源网络）、模拟手、被动电压探头、电流探头（配合使用的CDN，即容性电压探头）以及断续干扰分析仪（DIA，用于CISPR14-1中的断续干扰测试）等。接收机和DIA需要符合CISPR16-1-1的要求，其他辅助设备需要符合CISPR16-1-2的要求。

传导骚扰测试的布置如下：

测试设备分为分台式和落地式。台式设备距离LISN为80cm，距离接地平板为40cm。落地式设备的距离允许有一定偏差，具体偏差标准根据不同的测试标准而定。辅助设备的布置也与测试标准有关。例如，根据CISPR22标准，辅助设备与主设备间距离为10cm，互联线离接地平板至少为40cm。对于手持II类设备，需要使用模拟手进行测试。根据CISPR15标准，自镇流荧光灯需放置在一个锥形金属罩内进行测试。以上各标准都有提供直观的布置图。

大多数测试频段为150kHz至30MHz，但CISPR15标准作为例外，其测试频段为骚扰电压9kHz至30MHz，插入损耗150kHz至1605kHz。

测试限值根据不同的标准和产品分类（Group1/2, Class A/B）而有所不同。

整个测试过程如下：

1. 交/直流电源端骚扰电压：将电源插头连接到LISN上，将接收机RF输入连接到LISN的RF输出。可以在中间加入RF衰减器或脉冲限幅器。通过切换LISN的L/N开关来选择测试电源线的对地共模骚扰电压。

2. 断续干扰：根据CISPR14-1标准及其他引用该标准的标准要求，通常使用断续干扰分析仪与LISN配合进行测量。标准也允许使用示波器与接收机的组合进行替代。示波器用于观察骚扰持续时间，接收机用于观察骚扰电平幅度。

3. 负载端骚扰电压：根据CISPR14-1、CISPR15和CISPR11标准的要求，使用被动电压探头将需要测试的负载线绝缘剥开，直接连接到收机上，测量负载线导线端子对地的骚扰电压。如果设备的额定电流过大，没有合适的LISN可用，也可以直接使用电压探头来测量电源端的骚扰电压。

4. 通讯线骚扰电压/骚扰电流：根据CISPR22标准的要求，根据不同类型的通讯线采用不同的测试方法。利用电流探头、CDN、150欧姆接地电阻和容性电压探头的不同组合来测试不同类型的通讯线缆。测试前提是要保证测试线缆的对地阻抗为150欧姆。测试结果可以用骚扰电流dBuA或骚扰电压dBuV来表示，两者的差值为44dB。

5. 插入损耗：根据CISPR15标准的要求，使用RF正弦波发生器经过平衡/不平衡转换器、模拟灯和LISN，最后用接收机测量比较电压，得出插入损耗的数值。

测试结果分为A级和B级。将接收机检波器的测量值（QP/AV）与限值进行比较，低于限值为PASS，高于限值为FAIL。

Harmonics主要指谐波电流，是指EUT在工作过程中向电网中注入的谐波。根据EUT的不同类别（A、B、C、D），每个类别都有自己的谐波限值。

Flicker测试主要评估电压波动和闪变。评判标准包括短期闪变程度（Pst）和长期闪变程度（Plt），两者的值都不能超过各自的限值。

以上是对测试过程和评判标准的介绍。对于后两种测试，由于在实际测试中不常见，因此本文重点介绍了前两种测试方法。如果需要了解更多信息，请参阅相关标准，标准中详细介绍了基本概念、测试限值、测试设备和测试方法。