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EMI測試關于汽車零部件的幾種方法解析

多年來,電磁干擾EMI測試在當代電子控制系統中,效應一直是一個備受關注的問題。特別是在今天的汽車工業中,汽車使用了許多關鍵和非關鍵(criTIcalandnon-criTIcal)車載電子模塊,如模塊管理模塊、防抱死系統、電子動力轉向程序模塊(electricalpowersteeringfuncTIons),車內娛樂系統和熱控制器。

同時,車輛所處的電磁環境更為復雜。車輛上的電子元件必須與頻射發射機共存。其中一些發射機安裝和設置得當(例如,在應急服務車輛中),但有些不是(例如,有些發射機在出廠后安裝)CB發射器和車載手機)。此外,車輛將進入外部發射機產生的一些強磁場區域,強度可以達到每米幾十甚至幾百福特。汽車行業多年前就意識到了各種各樣的問題,所有知名廠商都采取了一定的對策,試圖根據制定的測試標準和法律規定,減少電磁干擾的影響。因此,今天的車輛對這種干擾有很強的抵抗力。EMI對車載模塊的特性影響很大,因此必須重新警惕。

車輛和零部件的測試是一個高度專業化的行業,一直由廠家自己進行。在一些國家,許多汽車制造商會一起支持這些專業的測試實驗室。隨著汽車中常用的子部件越來越多,汽車廠商外包零部件的趨勢也越來越明顯,因此,EMC測試開始逐漸成為零部件制造商的義務。在例如ISO11452(國際標準化組織)SAEJ1113(汽車工程師協會)等國家汽車零部件抗擾性試驗標準的子章節描述了各種不同的試驗方法和試驗等級,頻率重疊。在沒有任何更高的法律要求的情況下,汽車制造商可以在這一通用標準的前提下制定其測試規定。也就是說,當一個汽車制造商想要制定零部件經銷商制定零部件級別測試要求時,他可以選擇合適的賬戶,包括多種測試方法、測試頻率范圍和測試級別細節,以形成自己的測試規范。最后,一個為許多汽車制造商提供子零件的制造商可能必須根據不同的規格選擇不同的方法,并在相同的頻率范圍內測試相同的零件。


霍達爾儀器

圖1.典型的輻射干擾測試裝置


為了滿足客戶的測試要求,零部件制造商可以采取一系列措施ISO11452和SAEJ1113中包含的RF測試標準和設計的車輛部件測試系統幫助完成工作。這種測試系統通常是自己包含的(self-contained)系統應符合所有規范中規定的最高級別測試標準。選擇該系統后,零件制造商在測試其多個標準時使用的許多測試儀器都是相同的,因此可以節省大量資金。我們將討論以下類別RF測試方法和汽車制造商測試要求中規定的一些測試參數,討論零部件制造商如何根據不同客戶的測試要求構建相應的測試系統,從而達到只測試必要項目的效果。

幾種RF測試方法

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圖2.電流注入法測試裝置


如果你想測試一個汽車零件RF抗干擾,需要通過一種非常方式來增加與車內干擾的方法RF干擾。這導致了第一個變量。車輛可能暴露在場外,也可能攜帶發射機和天線,這些發射機和天線可能會產生干擾信號,但無論如何,干擾場可以直接應用于部件的位置。例如,當部件安裝在儀表板上或附近的開放區域時,它造成的干擾比安裝在車輛底盤周圍或在模塊箱中的屏蔽區域造成的干擾要大得多。另一方面,為了滿足電源和信號連接的需要,所有電子模塊都連接到車輛的布線系統。

布線設備相當于一個高效的天線,可以和RF無論組件組裝在哪里,干擾藕合,RF電流通過其連接器傳輸到部件。因此,一般采用兩種試驗方法:輻射干擾試驗和傳輸干擾試驗。


測試輻射干擾測試

每種輻射測試方法也不會向外部向待測設備添加強度以獲得校正RF這樣,就可以了RF電流和電壓和電壓引入裝置的內部結構RF電流和電壓敏感節點會再次出現電流和電壓,從而導致電子電路中的干擾。不同的方法應用于RF場的形式各不相同,各有各的優點、缺點和局限性。


微波暗室輻射天線測量法

形成最簡潔明了RF場的方法是將動能注入天線,并將其偏向待測設備(EUT)。天線能夠把RF能量轉化為輻射場,使其充滿測試區域。因為高電平必須在非常寬的頻帶范圍內RF信號測試需要在一個屏蔽室內進行,以防止與周圍其他合法的無線電客戶相互干擾。但是這樣會引入墻壁的反射,進而改變室內場的遍布。為了解決這個問題,有必要對屏蔽室表面進行無線電消音,創造一個“吸波室(absorberlinedchamber)”環境,這大大提高了測試設備的成本。在測試過程中使用的天線應具有較寬的頻率響應。車輛測試中的測試頻率可能為10kHz到18GHz,因此需要的天線種類繁多(見圖1)。另外,加上EUT在場上也要盡量勻稱,受到良好的操縱。測試期間的場地將嚴重影響暗室的規格,因此天線不能離開EUT太近,專一性不能太強,否則場會只會集中在EUT一個地區。同時,天線和EUT距離太近也會導致兩者之間的相互感覺擴大,從而增加天線上信號的操縱難度。被測對象的物理規格越多,這個間距規定就越難達到。另外,根據公式P=(E·r)2/30watts(當天線有模塊增益時),天線離開EUT越遠,做一個強大的出場需要的功率就越大。

請注意,該公式給出了場強與距離之間的平方率關聯,即當給出場強之間的距離時,場強從10V/m擴大到20V/m時,所需功率是原來的4倍,或現場強度從10倍V/m擴大到20V/m在給出功率時,間距只有原來的四分之一。EUT通過各向異性的寬帶場傳感器測量場強度。各向異性的目的是確保傳感器對方向不敏感,而寬帶的目的是確保它能夠在每個頻率下獲得正確的測量值。

TEM單元法


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圖3.干擾直接注入法測試裝置


依據ISO11452-3和SAEJ113/24的規定TEM如果模塊只是一個簡單的封閉傳輸線,那么某個傳輸線將在一端進給RF在另一端,功率和一個負載阻抗。電磁波在傳輸線中的傳播,在導體之間建立一個磁場。TEM(即水平電磁波)描述了在這些單元的有效區域內產生的磁場。當傳輸線長度按時,在一定的橫截面上,場強對稱,且易于測量或計算。EUT就放置于TEM單位功效區。TEM模塊一般以殼體的形式出現,里面有一個防護面,外殼的墻作為傳輸線的一端,保護面(或橫膈膜,septum)作為另一端。TEM單元的幾何結構對傳輸線的特性阻抗具有決定性的危害。外殼是封閉的,除了很小的泄漏外,模塊外沒有磁場,所以這類模塊可以在所有環境中使用而不加外屏蔽。其主要缺點是存在頻率限制,這種限制頻率與其物理規范(見表1)反比。當頻率高于此限制時,高次模和場均勻性開始出現在其內部磁場結構中,尤其是TEM諧振頻率的均勻性由單元的準確規格決定,也逐漸下降。TEM可以更大地測量模塊EUT規格受內部可用場強對稱區域體積的限制,因此規格較大EUT直接影響模塊的最大頻率。TEM單元的最小測量頻率可以去DC,這也是它與輻射天線測量的區別。


帶狀線法和三平面法

這幾種方法和TEM模塊法有本質區別。TEM模塊化法屬于封閉測量法,帶狀線法和三平面法采用的測試裝置為開放式傳輸線。換句話說,在選擇這兩種方法時,雖然較大的場地位于平面的中間,但仍然有動能輻射到測試裝置的外部,因此測試必須在屏蔽室進行。ISO11452-5和SAEJ帶狀線測試均在1113/23中描述,而三平面測試僅在SAEJ1113/25中提到。

在帶狀線試驗中,待測部件模塊僅與與相關機器連接的電纜裝置對接,不暴露于平面之間最大的場強。作為傳輸線的源導體,帶狀線平面放置在1.5m電纜裝置的下部,測試的參考平面作為另一端的導體。帶狀線產生的場會感應到電纜裝置中的通向電流,然后蓮藕進入EUT。因此,帶狀線試驗幾乎是兩種方法的混合:輻射場試驗和傳輸試驗。

在三平面試驗裝置中,一個有源內導體被兩個外平面夾在中間,產生的阻抗可以通過測量獲得。待測模塊放置在核心導體和一個外平面之間,核心導體的另一面是空的。因為所有測試裝置的結構都是對稱的,所以可以放在空的一側EUT在鏡像區域放置一個場強探頭。TEM與模塊測試相同,帶狀線測試和三平面測試裝置的頻率上限受其規格限制。當其等于或高于由原理規范確定的諧振頻率時,將產生不受控制的磁場高次模。與輻射天線法相比,這三種方法的優點是,在選擇這三種方法時,只有少量的功率才能產生比輻射天線法更強的場。因為場強度等于導體平面之間的電壓,除了它們之間的距離。


傳導干擾試驗

第二種測試方法稱為傳導干擾測試。它不需要在待測模塊的位置添加磁場,而是直接將其添加到待測模塊中RF在電纜裝置或連接待測部件模塊的裝置中,影響增加。RF電路結構中的電流(如印刷電路板)PCB)在中間傳輸中,組件模塊與外部設備之間的連接會產生電流,從而對電子電路產生影響。雖然這種方法類似于輻射場測試方法,但兩者之間沒有平等,所以這些方法通常用于進行詳細的測試,有時這兩種測試的頻率類別也會重疊。傳導干擾試驗中最常用的兩種蓮花法有電流注入法(bulkcurrentinjecTIon,BCI)和立即注入法,前者應向EUT注入影響電流,并控制注入電流的大小,后者注入功率并控制注入功率的大小。


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表1.TEM 單元法的頻率上限


電流注入法(BCI)

BCI法在ISO11452-4和SAEJ113/4中有描述。選擇這種方法時,將電流注入探頭,放在連接待測部件的電纜裝置上方,然后注入探頭RF影響。這時,探頭作為第一電流轉換器,而電纜裝置作為第二電流轉換器,因此,RF電流首先以共模的方式通過電纜裝置(即電流以相同的方式在裝置的所有導體中流動),然后進入EUT連接端口。

通過電流注入裝置的共模阻抗確定了真正流過的電流,但在低頻下,這幾乎完全是由電流注入裝置的共模阻抗決定的EUT確定與電纜裝置另一端相關的設備對地的阻抗。一旦電纜長度達到四分之一波長,阻抗的變化就變得非常重要,這可能會降低測試的準確性(見圖2)。此外,由于電流注入探頭會造成損失,因此必須有更大的驅動能力EUT構建合理的影響水平。即便如此,BCI法律可能有一個很大的優勢,那就是它的非侵入性,因為探頭可以簡單地夾在所有可接受直徑的電纜上,徑的電纜上,并且不需要連接所有直接電纜導線,因此不會影響電纜連接的工作電路。

立即注入法

BCI法律規定驅動能力過高,在測試環節對相關機器的保護不好。立即注入法的目的是擺脫它BCI這兩個缺陷。具體方法是直接連接測試設備EUT在電纜上,根據寬帶人力網絡(BroadbandArtificialNetwork,BAN)將RF功率注入EUT電纜,且不影響EUT與傳感器和負載的插座(見圖3)BAN在測試頻率范圍內EUT呈現的RF阻抗能量控制。BAN輔助設備流入方向至少可提供500個W阻抗阻抗。電磁干擾通過直接電容,直接耦合到被測線上。ISO11452-7和SAEJ113/3描述了這種方法。


汽車部件EMI測試參數

在車輛構件EMI在測試過程中,根據不同汽車制造商提出的不同規定,除了引入電磁干擾的基本方法不同外,還有許多不同的參數。RF影響如何造成,這類參數都是相關的。


頻率范疇

測試方法本身和常用的換能器(transducer)限制,上述每種方法僅適用于一個既定的頻率類別。表2列出了在相應標準中發布的各種方法的可用頻率類別。在測試過程中,通常需要在所有頻率范圍內掃描測試信號,然后檢測EUT測試結論不同于應有的功能和性能。如果每次測試的最小停留時間一般為2秒,如果EUT時間常數很大,停留時間可能更長。如果使用軟件控制的測試信號發生器,測試信號通常不會掃描所有頻率類別,而是選擇步進方法,因此應定義頻率步進的步幅。保留時間和頻率步驟取決于執行單個掃描所需的時間,這也決定了所有測試所需的時間。


幅度控制

無論采用哪種測試方法,都應用于EUT必須小心操作上述測試信號的范圍。根據不同的原理,強度控制方法一般可分為兩種,一種稱為閉環控制法,另一種稱為開環控制法。在帶狀線測試和TEM在模塊測試中,可以通過已知的凈輸入功率和傳輸線的參數來計算場。但是,除了這兩種方法外,還應使用閉環方法來完成強度控制。在輻射干擾試驗中,電磁干擾單位選用伏特/米(volts/meter),在電流注入測試中,企業選擇微安(milliamps),在即時功率注入測試中,企業選擇瓦特(watts)。


閉環法


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表2.不同測試方法在不同標準中的適用頻率范圍


在選擇閉環控制方法時,一個場強儀或電流監控探頭一直在檢測和應用EUT從而將功率調整到目標。這種方法有一個問題,即EUT干預打亂了大家作為鼓勵的磁場,所以找不到一個能恰當反映大家獲得的場強,對所有類型都有影響EUT在微波暗室進行輻射干擾試驗時,這一問題尤為明顯。促進測試頻率EUT與波長相比,規格和波長可能會在某些部位大幅下降。如果場強儀正好放在這樣的位置,那么當我們根據場強儀的讀數來維持所需的電磁場強度時,肯定會在EUT周圍位置造成嚴重過度測量(over-testing)。BCI當測試中存在類似問題時,EUT當共模輸入阻抗與測試信號共振時,需要維持的電流會導致過度測試(over-testing)。事實上,在這樣的環境下,很多時候放大器不能提供所需的電平,一旦放大器負載,就會造成更多的測試問題。


開環法

選擇開環法可以避免上述問題。開環法有時也稱為置換法。選擇開環法時,首先將強度明確的信號送到測試設備進行校正設置。在每個頻率上,放大器的導出功率由輔助功率計監控,當放大器的輸出電平達到目標時記錄。最后,在真實測試中,嚴格重放預校正的功率記錄。一般來說,由于施加在施加中EUT上場或電流(voltspermeter或milliamps)測量不在測試要求范圍內,因此開環法不測量它們,只監督它們,以確保系統正常工作。但由于上節提到的原因,我們看不到真正正確的測量值。在輻射干擾試驗中,校正設置過程要求EUT在微波暗室應占據的準確位置放置場強儀。但在傳導干擾測試中,校正設備是阻抗值給出的負荷,每個人都在兩側測量功率或電流。開環法常用的功率參數包括凈功率,或輸入換能器的前向功率與換能器反射的反向功率的差異。假設沒有其他重要消耗,這個誤差就等于真正送進去EUT的功率。因此,在使用立即耦合器時,一定要在每個頻率上測量兩個功率。此時,可以用功率計測量耦合器的前向導出和反向輸出,也可以用兩個功率計同時測量。凈功率用于表示換能器的電壓駐波比(VSWR),因為當引進EUT時VSWR會有變化。但當EUT與測試設備嚴格匹配時,保持凈功率所需的前向功率可能比校正所需的功率發生較大變化。為防止過度測量,為保持需要凈功率而增加的前向功率不得超過2dB,即便2dB不能滿足要求,也不能再擴大,只能記錄在測試報告中。


調配頻率和深度

每一個RF抗擾性測試應在每個頻率對抗EUT施加CW(未調連續波)和已調連續波)AM信號,而EUT回應通常更容易受到調整的影響。一般情況下,測試標準中規定的調配信號均為80%,頻率為1kHz正弦波。但也有一些車輛制造商可能有不同的規定。定義部署參數的目的是為了定義部署參數。AM和CW測試需要一個恒定的峰值電平。這與商業有關。(IEC61000-4系列)RF不同的抗擾性測試。在商業上。RF在抗擾測試中,調配信號的峰值功率比未調整信號高5.3dB。但在恒定峰值電平測試中,調配深度為80%的已調信號功率僅為未調信號功率的0.407倍。ISO11452中明確界定了此類信號的施加過程:

●在每個頻點,線形或大部分擴大信號強度,直到信號強度滿足要求(開環法凈功率滿足要求,閉環法測試信號電平嚴格滿足要求)2dB規則檢測前向功率。

●按要求施加已調信號,保持測試信號等于EUT最小響應時間。

●慢慢降低測試信號強度,然后進行下一次頻率測試。

檢測EUT

施加測試信號時,一定要進行測試EUT回應,并與性能規則進行比較,確認待測部件是否按測試進行。由于不同的原因。EUT功能和性能規則必須不同,因此不可能總結這些監管方法。如果測試軟件能夠自動執行部分或全部測試工作,則所有測試都將更加簡單和可靠。測試過程可能只需要簡單地測量和記錄每個頻率點的輸出電壓,也可能涉及到一些特殊的EUT在測試中發現錯誤時,可以識別軟件。


報告測試結果

在EMI測試中,EUT經過觀察,測試工程師的工作只完成了一半。然后他或她必須按照車輛制造商規定的格式建立測試報告。一個零部件制造商可能會為多個汽車制造商提供商品,因此對于同一組測試,零部件制造商可能需要提交各種格式的測試報告。一些程序包包含可選的報告形成模塊,可以為不同的汽車制造商提供標準的報告模板。雖然大多數測試工程師都喜歡測試過程,但很少有人喜歡寫測試報告,所以所有的測試實驗室主管都明白,為用戶提供測試報告是最困難的任務。通過自動報告形成軟件模塊,不僅測試工程師不必承擔編寫測試報告的痛苦,而且可以快速滿足客戶的要求。一般來說,盡管汽車行業的組件EMC測試包含許多可變參數,我們仍然可以根據不同的汽車制造商進行高效的覆蓋范圍。


相關關鍵詞: EMIEMI測試
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