一種電磁發(fā)射故障診斷與整改系統(tǒng)的研究應(yīng)用
0? 前言電磁兼容性作為現(xiàn)代化裝備列裝定型前的重要的一環(huán),最初只被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,如今隨著近年來現(xiàn)代數(shù)字設(shè)備應(yīng)用范圍的不斷拓展,同時(shí)現(xiàn)代化設(shè)備對(duì)低信號(hào)電壓要求越來越高,于是電磁兼容性的重要性日漸突出,在社會(huì)各個(gè)行業(yè)也越來越受重視。國內(nèi)對(duì)電磁兼容的理論研究較多,通過頻譜分析、仿真模擬等方式,指導(dǎo)裝備產(chǎn)品按照電磁兼容性能指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),但裝備產(chǎn)品最終是否滿足指標(biāo)要求還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在工程實(shí)際應(yīng)用中,往往發(fā)現(xiàn)裝備產(chǎn)品無法通過一次性設(shè)計(jì)達(dá)到GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)要求,往往需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和精力大量的后期故障分析、解決、處理。作為第三方試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu),如何幫助設(shè)計(jì)工程師完善電磁兼容設(shè)計(jì)工作獲得通過電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的裝備,探索出效率更高、效果更好、性價(jià)比更優(yōu)的電磁兼容故障診斷與整改方式,從而縮短二次研發(fā)產(chǎn)品的周期,降低二次研發(fā)成本,對(duì)后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。因此,電磁兼容整改的意義顯得尤為重要。本文介紹一種辦公室環(huán)境下的電磁發(fā)射故障診斷與整改系統(tǒng),幫助產(chǎn)品技術(shù)工程師、系統(tǒng)集成工程師快速完成故障診斷與整改工作。
1 電磁兼容性電磁兼容是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中,按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力。主要有兩個(gè)含義,一個(gè)是設(shè)備或者系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中能夠正常工作,另一個(gè)是兩個(gè)以上的電子設(shè)備或者系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí),互相之間不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾的狀態(tài);其設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè),一個(gè)是保證電路之間、模塊之間、系統(tǒng)內(nèi)部的自兼容,另一個(gè)是順利通過電磁兼容試驗(yàn)。電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時(shí)有兩種形態(tài),即共模和差模。設(shè)備的電源線,信號(hào)線等的通信線,與其他設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通信線路,至少有兩根導(dǎo)線,這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號(hào)。但在這兩根導(dǎo)線外通常還有第三個(gè)導(dǎo)體,那就是“地”。干擾電壓和電流分為兩種:一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸;一種是兩根導(dǎo)線作為去路,地作為返回路傳輸。前者成為差模,后者成為共模。
2?電磁兼容原理基于電磁兼容原理,最為常見的整改方式有3種:接地、屏蔽、濾波。2.1 接地接地是抑制噪聲、防止干擾的主要方法,是EMC設(shè)計(jì)的最重要的方面。其目的:(1)接地是整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元都有一個(gè)公共的參考零電位,保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定工作;(2)防止外界電磁場的干擾。機(jī)殼接地為瞬態(tài)干擾提供泄放通道,也可使因靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地釋放。(3)保證安全工作。發(fā)生雷電感應(yīng)或者輸入電壓因絕緣不良或者其他原因直接與機(jī)殼相通時(shí),避免人員觸電或者設(shè)備損壞。(4)減少流過產(chǎn)品中PCB板的共振干擾電流。同時(shí)避免產(chǎn)品內(nèi)部的高頻EMI信號(hào)流向產(chǎn)品中的等效發(fā)射天線。電路設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該先考慮到接地設(shè)計(jì)。接地是使不希望的噪聲、干擾極小化并對(duì)電路進(jìn)行隔離劃分的一個(gè)重要方法。2.2 電磁屏蔽電磁屏蔽的作用是切斷電磁能量從空間傳播的路徑,達(dá)到消除電磁干擾的目的。用屏蔽體將元器件、電路、組件、電纜或者整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來,防止干擾電磁場向外擴(kuò)散;用屏蔽體將接收電路、設(shè)備或系統(tǒng)包圍起來,防止它們接受到外界電磁場的影響。在大多數(shù)的產(chǎn)品工程應(yīng)用中,利用發(fā)射原理來進(jìn)行屏蔽占多數(shù)。圖1 電場屏蔽原理圖2.3電磁干擾濾波電磁干擾從設(shè)備內(nèi)發(fā)射處理,或進(jìn)入設(shè)備只有兩種途徑,即空間電磁輻射的形式和電路沿著導(dǎo)體傳導(dǎo)的形式,主要采用干擾濾波器,阻止較高頻率的信號(hào)通過。電磁干擾濾波有三個(gè)特殊點(diǎn):第一,干擾濾波電路所連接的電路往往沒有確定的阻抗,而傳統(tǒng)的濾波技術(shù)都是基于電路阻抗特定的場合。第二,電磁干擾濾波要衰減的頻率范圍往往很寬,一般達(dá)到數(shù)百兆赫茲,而不像傳統(tǒng)的濾波電路僅對(duì)一個(gè)較窄的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行衰減,這種寬頻率的濾波在實(shí)現(xiàn)方面難度較大;第三,干擾濾波往往面對(duì)頻率很高的噪聲信號(hào),這時(shí)濾波電路中的各種雜散參數(shù)是不能忽視的,而大部分工程師對(duì)于怎樣控制這些雜散參數(shù)了解很少。電磁干擾濾波與電磁屏蔽是相互補(bǔ)充的兩個(gè)電磁兼容保證措施。圖2 干擾濾波器的使用
3?電磁兼容故障診斷及整改
3.1 故障診斷及整改系統(tǒng)的設(shè)計(jì)此故障診斷及整改系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依托最基本的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目CE102試驗(yàn)和RE102試驗(yàn)。因?yàn)檠b備產(chǎn)品要通過CE102試驗(yàn)和RE102試驗(yàn),必須在電源線、信號(hào)電纜線和屏蔽箱上采取嚴(yán)密的技術(shù)措施,而這些措施是雙向的。也就是,他們既阻止電子設(shè)備的內(nèi)部電路向外部產(chǎn)生干擾發(fā)射,也阻止外部的電磁干擾進(jìn)入內(nèi)部電路。因此,當(dāng)電子設(shè)備能順利通過CE102和RE102時(shí),就意味著電磁防護(hù)措施已經(jīng)比較到位,其他的電磁干擾試驗(yàn)和地磁抗擾度試驗(yàn)不會(huì)有較大的問題。電磁發(fā)射故障診斷及整改系統(tǒng)主要采用了三個(gè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小空間內(nèi)CE102和RE102試驗(yàn)。第一,小型化的LISN作為CE102采樣部件。第二,基礎(chǔ)小型天線陣作為RE102場強(qiáng)測(cè)試部件。這種小型天線陣相當(dāng)于普通試驗(yàn)室的5個(gè)天線。第三,用標(biāo)準(zhǔn)源將本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)場地進(jìn)行比對(duì),修正了測(cè)量誤差。圖3 電磁發(fā)射故障診斷及整改系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖3.2 快速完成整改設(shè)計(jì)工作這是通過三個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)的。第一,快速確定到超標(biāo)的原因是共模發(fā)射還是差模發(fā)射;第二,用實(shí)物仿真器快速構(gòu)建一個(gè)合適濾波電路;第三,即時(shí)進(jìn)行濾波電路的效果確認(rèn)。傳統(tǒng)整改中,第一不清楚導(dǎo)致超標(biāo)的傳到發(fā)射的性質(zhì)(共模/差模)的,盲目設(shè)計(jì)整改電路;第二,制作濾波需要較長時(shí)間,包括購買器件、焊接電路、組裝濾波器等步驟;第三,對(duì)濾波器的效果驗(yàn)證麻煩,需要等待試驗(yàn)室安排時(shí)間。由于改進(jìn)方案的盲目性,往往需要多個(gè)這種低效循環(huán)周期才能完成整改。
4 整改案例分享XX公司電子機(jī)箱在辦公場所通過故障診斷及整改系統(tǒng)完成摸底測(cè)試,并出具整改方案和措施,最終完成通過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。4.1 CE102摸底測(cè)試:設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射干擾滿足GJB-151B要求,如圖4。圖4 CE102摸底測(cè)試結(jié)果4.2 RE102摸底測(cè)試:200~500MHz輻射干擾較強(qiáng),有多個(gè)頻率點(diǎn)超標(biāo),不滿足GJB-151B要求。如圖5。圖5 RE102摸底測(cè)試結(jié)果4.3 問題診斷:問題1:導(dǎo)電橡膠條用膠粘在殼體上,不能與外殼良好緊密接觸,會(huì)造成殼體泄露。問題2:內(nèi)部電源線與濾波器距離太長,內(nèi)部干擾信號(hào)會(huì)輻射到電源線,從而造成指標(biāo)超差,試驗(yàn)不通過。問題3:內(nèi)部信號(hào)線干擾太大,干擾會(huì)通過信號(hào)線輻射出去。4.4 整改措施:針對(duì)利用電磁發(fā)射故障診斷與整改系統(tǒng)梳理的問題,完成整改方案的編制見表1:
圖6
圖7中 1)為1uF共模電容,(2)為濾波磁環(huán),(3)為防波套
圖84.5 整改結(jié)果:設(shè)備按照整改方案整改后,重新進(jìn)行RE102測(cè)試,前后測(cè)試結(jié)果比對(duì)見圖9。圖9藍(lán)線為原始RE102摸底測(cè)試曲線譜圖,綠線和紫線為整改后RE102測(cè)試曲線譜圖。經(jīng)整改處理后,RE102順利通過。具體結(jié)論見表2。按照整改方法二次設(shè)計(jì)后的裝備通過了電磁發(fā)射故障診斷與整改系統(tǒng)的RE102要求,最終在第三方電磁兼容檢測(cè)試驗(yàn)室中一次性通過通過CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103試驗(yàn),滿足GJB-151B要求。
5 結(jié)論本套故障診斷及整改系統(tǒng)的RE102與經(jīng)過校準(zhǔn)合格的第三方電磁兼容試驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間比對(duì),測(cè)試結(jié)果在允差范圍內(nèi)。其整改方式對(duì)比傳統(tǒng)普通試驗(yàn)室整改的優(yōu)點(diǎn)突出,不僅可以完成一鍵式CE102、RE102試驗(yàn),而且可以自動(dòng)修正功能消除了不同試驗(yàn)室的偏差,其便捷的自檢功能確保試驗(yàn)結(jié)果可信,內(nèi)嵌的純凈電源使試驗(yàn)更加簡單,大大提高整改效率,可以快速且有效輔助結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)工程師完成裝備產(chǎn)品的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目整改工作。本電磁發(fā)射故障診斷與整改系統(tǒng)的應(yīng)用性和參考性具有推廣價(jià)值。?以上內(nèi)容為北京長城、東展科博提供支持,謝謝。以上內(nèi)容,若有不正確,請(qǐng)指導(dǎo)修正,歡迎持續(xù)討論,謝謝!
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