Table of Contents

Введение в проводимые и излучаемые выбросы при тестировании ЭМС

Электромагнитная совместимость (EMC) тестирование является критическим шагом в выводе любого электронного продукта на рынок. Он гарантирует, что устройство не излучает чрезмерные электромагнитные помехи (EMI) , которые могут нарушить работу другого оборудования, и не является чрезмерно восприимчивым к помехам из его среды. Проводимые испытания EMC, и измерения радиационного излучения являются фундаментальными для проверки того, что продукт соответствует нормативным ограничениям, прежде чем он может быть продан на большинстве глобальных рынков.

Пределы выбросов существуют для защиты радиочастотного спектра — общего ресурса — и для гарантии того, что устройства могут сосуществовать без вредных помех. Например, плохо спроектированный источник питания может вводить шум обратно в сети переменного тока, нарушая работу расположенного поблизости аудиооборудования (проводимые выбросы). Аналогичным образом, высокоскоростная цифровая схема может излучать непреднамеренные сигналы, которые мешают расположенному поблизости приемнику Wi-Fi (излученные выбросы). Понимание различий, методов измерения и применимых стандартов для каждого типа выбросов имеет важное значение для разработчиков продуктов, инженеров по соблюдению и групп по обеспечению качества.

Это расширенное руководство предоставляет авторитетный обзор проводимых и излучаемых пределов выбросов, включая нормативный ландшафт, методологии тестирования и практические последствия для дизайна продукта. Независимо от того, являетесь ли вы новичком в EMC или нуждаетесь в обновлении текущих требований, в следующих разделах разбиты ключевые концепции в четкой, действенной манере.

Понимание проведённых выбросов

Что такое проводимые выбросы?

Проводимые выбросы являются нежелательным электрическим шумом, который распространяется вдоль физических проводников, таких как силовые шнуры, сигнальные кабели или линии Ethernet. Эти шумовые токи перемещаются от испытываемого оборудования (EUT) обратно в сети переменного тока или другие подключенные кабели, потенциально влияя на другие устройства, разделяющие ту же электрическую сеть. Общие источники включают в себя коммутационные источники питания, тактовые сигналы и драйверы двигателей, которые генерируют высокочастотные гармоники.

Проведенное явление выбросов наиболее важно в диапазоне частот 150 кГц до 30 МГц (как определено большинством коммерческих стандартов). Ниже 150 кГц шум линий электропередач и низкочастотные гармоники обычно регулируются стандартами качества мощности, а не пределами выбросов ЭМС. Выше 30 МГц помехи имеют тенденцию излучать, а не проводить эффективно через кабели, смещая фокус на излучаемые выбросы.

Настройка измерения для проводимых выбросов

Для испытаний выбросов требуется сеть стабилизации импеданса (LISN) , которая вставляется между EUT и AC-сетями.

  • Стабилизация сопротивления: Представляет собой определенное, стабильное импеданс (обычно 50 мкН / 50 Ω) для EUT в диапазоне частот, представляющих интерес, обеспечивая повторяемые измерения.
  • Связь шума: Он отделяет шумовое напряжение от напряжения сети и направляет его на приемник EMI или анализатор спектра.
  • Изоляция: Это предотвращает искажение внешнего шума от измерения собственных выбросов EUT.

Измерения проводятся как на фазовых, так и на нейтральных линиях (или на всех линиях в многофазных системах) и сравниваются с применимым пределом. Испытание обычно проводится в экранированной комнате, чтобы избежать воздействия окружающего шума на измеряемые сигналы низкого уровня.

Проведенные лимиты выбросов и стандарты

Нормативно-правовые ограничения на выбросы, производимые в результате таких выбросов, как CISPR 32 (для мультимедийного оборудования), CISPR 11 (для промышленного, научного и медицинского оборудования) и FCC Part 15 (для преднамеренных и непреднамеренных радиаторов в Соединенных Штатах). Большинство стандартов делят оборудование на два класса:

  • Класс А (Промышленный) - Оборудование, предназначенное для использования в промышленных условиях, где проводимые ограничения выбросов более смягчены.
  • Класс B (жилой) (FLT: 1) - Оборудование, предназначенное для использования в жилых, коммерческих и легкопромышленных условиях, с более строгими ограничениями для защиты радио и телевизионного приема.

Например, ограничения CISPR 32 класса B для проводимых выбросов составляют около 66 дБмкВ (квазипик) на частоте 150 кГц, снижаясь до 56 дБмкВ на частоте 500 кГц и оставаясь на частоте 60 дБмкВ (квазипик) с 5 МГц до 30 МГц. Средние пределы обычно на 10 дБ ниже. Точные предельные значения и точки разрыва частоты немного различаются между стандартами и регионами, но общая форма аналогична. Важно проконсультироваться с последней версией конкретного стандарта, применимого к вашему продукту.

Более подробную информацию о стандартах CISPR можно найти на веб-странице IEC EMC.

Понимание радиационных выбросов

Что такое радиационные выбросы?

Излучаемые излучения — это электромагнитные поля, которые распространяются по воздуху от устройства, подобно радиоволнам от передатчика. Любая электронная схема, способная генерировать высокочастотные токи — особенно те, которые имеют быстрые частоты, большие контуры тока или недостаточное экранирование — может действовать как непреднамеренная антенна. Эти выбросы могут мешать радио, телевидению, сотовой связи, Wi-Fi и другим беспроводным службам в радиусе нескольких метров или более.

Типичный диапазон частот для тестирования излучения составляет от 30 МГц до 1 ГГц (и до 6 ГГц или выше для продуктов, включающих высокоскоростные цифровые интерфейсы или беспроводные передатчики). Ниже 30 МГц излучение менее эффективно, и проводимые выбросы являются основной проблемой; выше 1 ГГц выбросы измеряются как излучаемая напряженность поля аналогичным образом, но с различными типами антенн и расстояниями измерения.

Настройка измерения для радиационных выбросов

Измерения радиационного излучения выполняются в полностью безэховой камере (FAC) или на испытательном полигоне (OATS) на открытой площадке (FLT: 2), который отвечает конкретным требованиям к затуханию площадки. EUT помещается на поворотном столе на определенной высоте (обычно 0,8 м для настольного оборудования), а приемная антенна расположена на расстоянии 3 м, 10 м или 30 м (в зависимости от стандарта). Антенна сканируется как в горизонтальной, так и в вертикальной поляризации, в то время как EUT вращается для захвата максимальных уровней выбросов.

Ключевое оборудование включает в себя:

  • Широкополосные антенны: Биконические (30-300 МГц) и лого-периодические (300-1000 МГц) антенны являются общими для диапазона 30-1000 МГц; выше 1 ГГц используются роговые антенны.
  • EMI приемник: Калиброванный приемник измеряет напряженность поля в dBμV/м.
  • Предусилители: Усилители с низким уровнем шума усиливают слабые сигналы для улучшения динамического диапазона измерений.

Сигналы окружающей среды (например, широковещательное радио) либо избегают с помощью экранированной камеры, либо вычитаются с помощью процедур проверки сайта.

Пределы и стандарты радиационных выбросов

Пределы радиационных выбросов определяются в тех же стандартах, что и выбросы, но единицы отличаются: dBμV/m на заданном расстоянии (обычно 3 м или 10 м). Например, пределы FCC Part 15 Class B в диапазоне 3 м от 40 дБмкВ/м на 30 МГц (квазипик) до 46 дБмкВ/м на 100 МГц и 54 дБмкВ/м выше 230 МГц до 1 ГГц. Пределы CISPR 32 Class B на 10 м несколько более жесткие из-за большего расстояния.

Как и в случае с проводящимися выбросами, предельные значения излучения более строгие для жилого оборудования (класс B) и более мягкие для промышленного оборудования (класс A). Некоторые стандарты также устанавливают максимальные и средние пределы выбросов выше 1 ГГц для защиты спутниковых и радиолокационных служб.

Полезным справочником по ограничениям FCC является официальный FCC Часть 15 электронного кодекса федеральных правил.

Основные различия между проводящими и излучаемыми выбросами

Хотя оба типа помех происходят от одних и тех же источников шума внутри устройства, пути их распространения и методы измерения значительно различаются. В следующей таблице кратко излагаются основные различия:

Attribute Conducted Emissions Radiated Emissions
Propagation medium Through cables and power lines (metallic paths) Through the air (electromagnetic waves)
Frequency range (typical) 150 kHz – 30 MHz 30 MHz – 1 GHz and above
Measurement device LISN + EMI receiver (voltage measurement) Antenna + EMI receiver (field strength measurement)
Test environment Shielded room with LISN Anechoic chamber or OATS
Impact on other devices Interference through shared power or signal cables Interference to wireless receivers in proximity
Primary mitigation techniques Line filters, ferrites, proper grounding, shielding of cables Shielding enclosures, PCB layout, filtering of I/O lines, absorption

Понимание того, какой тип излучения доминирует в профиле EMI вашего продукта, помогает в выборе правильного диагностического подхода. Например, продукт с длинными внешними кабелями, скорее всего, имел проблемы, в то время как компактное высокоскоростное цифровое устройство может в основном излучать из самой печатной платы.

Нормативно-правовые стандарты и их соблюдение

Международные и региональные стандарты

Правила EMC существуют во всем мире, и большинство из них основаны на стандартах CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) , разработанных в рамках Международной электротехнической комиссии (МЭК).

  • CISPR 11 — промышленное, научное и медицинское оборудование (ISM)
  • CISPR 32 — мультимедийное оборудование (телевизоры, компьютеры, аудиосистемы)
  • CISPR 25 — Автомобильные компоненты (используются в транспортных средствах)
  • FCC Part 15 — Требования США к преднамеренным и непреднамеренным радиаторам
  • EN 55032 — европейский гармонизированный стандарт (эквивалент CISPR 32)
  • EN 55011 — европейский стандарт оборудования ISM

В Европейском союзе соблюдение требований EMC регламентируется Директивой 2014/30/EU EMC, которая требует, чтобы продукция соответствовала основным требованиям защиты. Производители должны составить Декларацию соответствия и проставить знак CE. Аналогичным образом, в США Федеральная комиссия по связи (FCC) требует процедуры тестирования и авторизации в зависимости от категории риска продукта (верификация, декларация соответствия или сертификация).

Класс А против класса В

Как уже упоминалось, пределы выбросов классифицируются по предполагаемой среде. Класс B (домашние / жилые) пределы являются самыми строгими, потому что жилые районы часто имеют более высокую чувствительность к помехам — люди ожидают использовать радио, телевидение и беспроводные устройства без сбоев. Класс A Пределы расслаблены, потому что промышленные среды уже содержат более высокий уровень шума окружающей среды, а оборудование обычно защищено отдельным распределением мощности и планированием.

Важно отметить, что во многих юрисдикциях продукция, отвечающая только ограничениям класса А, должна быть помечена предупреждением о том, что оборудование может вызвать помехи в жилых районах.Для большинства бытовой электроники соблюдение класса В является обязательным.

Процедуры тестирования и лучшие практики

Предварительное соответствие vs. полное тестирование на соответствие

Поскольку полное тестирование соответствия в аккредитованной лаборатории может быть дорогостоящим, многие производители начинают с предварительного тестирования соответствия, используя более простые настройки, такие как зонд ближнего поля или временный LISN в среде стенда. Хотя предварительное соответствие не может гарантировать прохождение окончательного теста, оно помогает определить проблемные частоты и проверить ранние изменения дизайна. Как только дизайн стабилен, полный тест соответствия выполняется в сертифицированной лаборатории для получения официального отчета об измерениях.

Советы по дизайну для сокращения выбросов

Независимо от того, является ли проводимость или излучение проблемой, следование передовым методам проектирования EMC с самого начала приносит дивиденды.

  • Правильная компоновка ПХД: Минимизируйте области петли для высокоскоростных сигналов, используйте твердые наземные плоскости, а также отдельные аналоговые и цифровые схемы.
  • Фильтрация: Установите ферритовые шарики на входах питания, а иногда и на кабелях ввода-вывода; используйте сетевые фильтры для проводимых выбросов; добавьте LC-фильтры на критические часы/выходы.
  • Щит: Закрепляйте источники шума в металлических корпусах, обращая внимание на швы и диафрагмы; используйте проводящие прокладки.
  • Управление кабелем: Держите кабели как можно короче; маршрутные кабели подальше от шумных компонентов; используйте экранированные кабели с витой парой для линий передачи данных.
  • Выбор компонентов: Выберите компоненты с более медленными скоростями кромки (если позволяет скорость), тактовой частотой с расширенным спектром и уменьшенной нагрузкой на выходной привод.

Эти методы часто уменьшают как проводящиеся, так и излучаемые выбросы одновременно, хотя доминирующий путь соединения может отличаться.

Важность соблюдения предельных значений выбросов

Несоблюдение установленных и излучаемых пределов выбросов может иметь серьезные последствия для производителей продукции:

  • Отказ в доступе к рынку: Продукты не могут быть легально размещены на рынке без соблюдения требований EMC. В ЕС знак CE не может быть проставлен; в США разрешение FCC на оборудование может быть отказано.
  • Возврат и жалобы клиентов: Даже если продукт продается без надлежащего тестирования, конечные пользователи могут испытывать помехи, что приводит к возврату, плохим отзывам и ущербу репутации бренда.
  • Правовые и финансовые риски: Регулирующие органы могут выдавать штрафы, отзывать заказы или требовать перепроектирования. Требования об ответственности за продукцию также могут возникать, если вмешательство вызывает проблемы безопасности (например, неисправность медицинского устройства).
  • Увеличение затрат на разработку: Перепроектирование после неудачного испытания на соответствие гораздо более дорогостоящее, чем включение соображений EMC на ранних этапах проектирования.

И наоборот, инвестиции в правильный дизайн и тестирование EMC обеспечивают конкурентное преимущество: более быстрое время выхода на рынок, меньше сюрпризов в последнюю минуту и надежный продукт, который надежно работает в своей предполагаемой среде.

Заключение

Понимание различий между проводимыми и излучаемыми ограничениями выбросов имеет основополагающее значение для тестирования и соблюдения ЭМС. Проводимые выбросы проходят через кабели и измеряются с помощью LISN и приемников в низкочастотном диапазоне, в то время как излучаемые выбросы распространяются по воздуху и измеряются с помощью антенн в безэховых камерах на более высоких частотах. Оба типа контролируются международно признанными стандартами, такими как CISPR 32, CISPR 11 и FCC Part 15, со строгими ограничениями класса B для жилого оборудования.

Эффективное управление ЭМС требует тщательного проектирования, проверки на соответствие требованиям и, в конечном счете, формального тестирования в аккредитованной лаборатории. Путем активного решения как проводимых, так и излучаемых выбросов производители могут добиться более плавной сертификации, снизить риск жалоб на помехи и обеспечить успех своей продукции на мировом рынке. Для дальнейшего руководства проконсультируйтесь с последними изданиями соответствующих стандартов и рассмотрите возможность работы с опытными инженерами-испытателями ЭМС на ранних этапах цикла разработки продукта.

Дополнительные ресурсы по тестированию и стандартам EMC доступны в учебном центре EMC ETS-Lindgren и на информационной странице EMC FCC .