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EMS 即 Electromagnetic Susceptibility,譯為電磁抗擾度,指的是設(shè)備在面臨各種電磁干擾環(huán)境時(shí),依然能夠維持正常運(yùn)行的能力,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是設(shè)備的抗干擾能力。在如今電氣化與信息化高度融合的時(shí)代,各類電子設(shè)備數(shù)量眾多且密集使用,它們不可避免地會(huì)受到周圍復(fù)雜電磁環(huán)境的影響,因此,EMS 性能的優(yōu)劣,直接關(guān)系到設(shè)備能否穩(wěn)定工作。
EMS 是電磁兼容性(EMC)的兩大核心構(gòu)成部分之一,另一部分是 EMI(電磁干擾)。這兩者相輔相成,EMS 解決的是設(shè)備 “抗干擾” 的問(wèn)題,確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中能正常運(yùn)行;而 EMI 則聚焦于設(shè)備 “不干擾他人”,控制設(shè)備自身向外界發(fā)射的電磁干擾,以免對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響。只有同時(shí)滿足 EMS 和 EMI 的要求,才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的電磁兼容性,保障整個(gè)電磁環(huán)境的和諧穩(wěn)定。
IEC 61000 – 4 系列標(biāo)準(zhǔn)是 EMS 測(cè)試的核心,其針對(duì)不同類型的電磁干擾制定了詳細(xì)的測(cè)試規(guī)范:
不同行業(yè)的設(shè)備由于使用場(chǎng)景和要求各異,衍生出了行業(yè)專用的 EMS 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn):
靜電放電模擬人體或物體在接觸設(shè)備時(shí)瞬間釋放靜電的場(chǎng)景,對(duì)設(shè)備的電子元件和電路造成沖擊。該測(cè)試分為接觸放電和空氣放電兩種方式,接觸放電最高可達(dá) 30kV,空氣放電最高可達(dá) 30kV。測(cè)試時(shí),除放電方式外,還需考慮不同的放電部位,如設(shè)備的外殼、接口、操作面板等。因?yàn)椴煌课粚?duì)靜電放電的敏感程度不同,例如接口處連接的電纜可能會(huì)將靜電引入設(shè)備內(nèi)部,導(dǎo)致更嚴(yán)重的影響。需按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的放電次數(shù)和放電間隔,對(duì)每個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行放電測(cè)試。
測(cè)試過(guò)程中,通過(guò)天線向被測(cè)設(shè)備輻射 80MHz – 6GHz 的高頻電磁場(chǎng),模擬設(shè)備在實(shí)際使用中可能遇到的各種射頻干擾,檢驗(yàn)設(shè)備在復(fù)雜射頻環(huán)境下的抗干擾能力。在 80MHz – 6GHz 的頻率范圍內(nèi),還需考慮不同的調(diào)制方式,如調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、脈沖調(diào)制等,因?yàn)椴煌恼{(diào)制方式會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不同程度的干擾。此外,測(cè)試時(shí)應(yīng)改變天線的極化方向,包括水平極化和垂直極化,以模擬實(shí)際環(huán)境中各種方向的輻射干擾。同時(shí),還需考慮不同的場(chǎng)強(qiáng)分布,對(duì)設(shè)備進(jìn)行全方位的輻射測(cè)試,確保設(shè)備在各種輻射環(huán)境下都能正常工作。
該測(cè)試模擬電氣開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的快速瞬變脈沖干擾,這些干擾會(huì)通過(guò)電源線或信號(hào)線耦合到設(shè)備上,通常施加的干擾強(qiáng)度為 ±2kV/5kHz ,以檢測(cè)設(shè)備對(duì)這類瞬態(tài)干擾的耐受能力。除施加 ±2kV/5kHz 的干擾強(qiáng)度外,還應(yīng)考慮不同的脈沖寬度和上升時(shí)間。因?yàn)椴煌碾姎忾_關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生不同參數(shù)的脈沖群,例如一些高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的脈沖群上升時(shí)間可能更快,對(duì)設(shè)備的影響也會(huì)有所不同。此外,測(cè)試時(shí)應(yīng)分別對(duì)電源線、信號(hào)線和控制線進(jìn)行測(cè)試,并且要考慮不同線纜之間的耦合效應(yīng),以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工作中的干擾情況。
浪涌測(cè)試主要模擬雷電沖擊或電力系統(tǒng)中的大電流切換操作對(duì)設(shè)備造成的影響,測(cè)試時(shí)通常會(huì)向設(shè)備施加 ±4kV 的線 – 地浪涌,評(píng)估設(shè)備在強(qiáng)浪涌沖擊下的性能。除 ±4kV 的線 – 地浪涌外,還需考慮線 – 線之間的浪涌測(cè)試,一般線 – 線浪涌電壓為 ±2kV。同時(shí),要模擬不同的浪涌波形,如 1.2/50μs 的開路電壓波形和 8/20μs 的短路電流波形,因?yàn)椴煌睦擞吭串a(chǎn)生的波形不同,對(duì)設(shè)備的影響也各異。另外,測(cè)試時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的不同工作狀態(tài),如開機(jī)、關(guān)機(jī)、待機(jī)等,以全面評(píng)估設(shè)備在各種情況下對(duì)浪涌干擾的耐受能力。
通過(guò)電流鉗或耦合網(wǎng)絡(luò),將 150kHz – 80MHz 的干擾信號(hào)注入設(shè)備的電源線或信號(hào)線上,模擬設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)線纜傳導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備的電磁干擾,考察設(shè)備對(duì)傳導(dǎo)干擾的抑制能力。在 150kHz – 80MHz 的頻率范圍內(nèi),可進(jìn)一步細(xì)分頻段進(jìn)行測(cè)試,以更精確地確定設(shè)備對(duì)不同頻率傳導(dǎo)干擾的敏感程度。此外,還應(yīng)考慮不同的耦合方式,除了電流鉗和耦合網(wǎng)絡(luò)外,還可模擬實(shí)際中可能出現(xiàn)的容性耦合和感性耦合情況。同時(shí),測(cè)試時(shí)要對(duì)設(shè)備的所有輸入輸出端口進(jìn)行測(cè)試,包括電源端口、信號(hào)端口、通信端口等,確保設(shè)備在各種線纜連接情況下都能有效抵御傳導(dǎo)干擾。
模擬電網(wǎng)電壓的波動(dòng),包括電壓暫降和短時(shí)斷電等情況,檢測(cè)設(shè)備在電壓異常時(shí)能否維持正常運(yùn)行,確保設(shè)備在電網(wǎng)不穩(wěn)定的情況下具備足夠的穩(wěn)定性。除模擬常見(jiàn)的電壓跌落和短時(shí)斷電情況外,還應(yīng)考慮不同的電壓暫降持續(xù)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間,例如從幾毫秒到幾秒不等的暫降時(shí)間,以及不同的電壓恢復(fù)速率。同時(shí),要測(cè)試設(shè)備在多次電壓暫降和中斷情況下的性能,評(píng)估設(shè)備是否會(huì)出現(xiàn)累積性的故障或性能下降。另外,還需考慮不同的電壓暫降深度與設(shè)備負(fù)載之間的關(guān)系,因?yàn)樵O(shè)備在不同負(fù)載下對(duì)電壓暫降的敏感度可能不同。
該測(cè)試模擬電力系統(tǒng)及其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的影響。通常在設(shè)備周圍施加頻率為 50Hz 或 60Hz 的磁場(chǎng),磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)要求而定,一般從幾安每米到幾百安每米不等。測(cè)試時(shí),需改變磁場(chǎng)的方向,以考察設(shè)備在不同方向磁場(chǎng)作用下的抗擾性能。
主要模擬雷擊、開關(guān)操作等產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的干擾。采用特定的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生具有一定波形和幅值的脈沖磁場(chǎng),如常見(jiàn)的 6.4/16μs 波形。測(cè)試時(shí),將設(shè)備置于脈沖磁場(chǎng)環(huán)境中,通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和作用次數(shù),評(píng)估設(shè)備對(duì)脈沖磁場(chǎng)的耐受能力。
用于模擬電力系統(tǒng)中開關(guān)操作在接地回路中產(chǎn)生的阻尼振蕩磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備的影響。測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生頻率范圍通常為 100kHz – 100MHz 的阻尼振蕩磁場(chǎng),以不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,觀察設(shè)備的工作狀態(tài),判斷其抗擾性能。
此測(cè)試是在傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮射頻場(chǎng)感應(yīng)到設(shè)備線纜上的傳導(dǎo)騷擾情況。測(cè)試時(shí),在設(shè)備周圍施加射頻電磁場(chǎng),同時(shí)通過(guò)耦合裝置將射頻場(chǎng)感應(yīng)出的傳導(dǎo)騷擾信號(hào)注入設(shè)備的電源線、信號(hào)線等線纜中,考察設(shè)備在這種復(fù)合干擾情況下的抗擾能力,頻率范圍一般為 9kHz – 80MHz 甚至更高。
EMS 測(cè)試通常將嚴(yán)酷度分為 1 – 4 級(jí)(或 Class A – D),等級(jí)越高,意味著設(shè)備需要承受的干擾強(qiáng)度越大,對(duì)設(shè)備的抗干擾能力要求也就越嚴(yán)格。
測(cè)試等級(jí)的確定主要依據(jù)設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境,例如家用設(shè)備使用環(huán)境相對(duì)較為溫和,一般適用 Class 1/2 等級(jí);而工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等由于工作環(huán)境復(fù)雜,面臨的電磁干擾更為強(qiáng)烈,往往需要達(dá)到 Class 3/4 等級(jí),以確保設(shè)備在惡劣環(huán)境下的可靠性。
在 EMS 測(cè)試中,設(shè)備常見(jiàn)的失效現(xiàn)象包括死機(jī)、通信中斷、顯示異常、誤動(dòng)作等,這些問(wèn)題不僅會(huì)影響設(shè)備的正常使用,還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。
MRI 設(shè)備作為重要的醫(yī)療診斷設(shè)備,其工作原理依賴于強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)。如果 MRI 設(shè)備不能通過(guò)高等級(jí)的 EMS 測(cè)試,外界的電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降,甚至出現(xiàn)誤診,嚴(yán)重威脅患者的健康和安全。
車載雷達(dá)是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感器之一,其抗擾度不足可能導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)誤判,進(jìn)而使自動(dòng)駕駛系統(tǒng)做出錯(cuò)誤決策,引發(fā)交通事故,因此車載雷達(dá)必須具備良好的抗干擾性能。
工業(yè)控制器通常應(yīng)用于強(qiáng)電磁環(huán)境的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),如鋼鐵廠、變電站等。在這些場(chǎng)所,設(shè)備面臨著大量的 EFT 和浪涌干擾,如果工業(yè)控制器不能耐受這些干擾,可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī),給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
確保電波暗室的背景噪聲低于測(cè)試限值 6dB,避免背景噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾,保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
定期對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行校準(zhǔn),如場(chǎng)強(qiáng)探頭、靜電槍等,確保儀器的測(cè)量精度和性能符合要求,為測(cè)試結(jié)果的可靠性提供保障。
在測(cè)試過(guò)程中,對(duì)設(shè)備的所有功能進(jìn)行全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),不放過(guò)任何瞬態(tài)異?,F(xiàn)象,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問(wèn)題。
密切關(guān)注 IEC 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)版本變化,如 IEC 61000 – 4 – 3:2020 新增了 5G 頻段的測(cè)試要求,及時(shí)更新測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn),確保測(cè)試結(jié)果的有效性和時(shí)效性。
利用仿真軟件,如 CST、HFSS 等,對(duì)設(shè)備的 EMS 性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題,并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),降低后期整改的成本和難度。
對(duì)設(shè)備原型進(jìn)行預(yù)測(cè)試,通過(guò)實(shí)際測(cè)試識(shí)別設(shè)備在 EMS 性能方面的薄弱環(huán)節(jié),為后續(xù)的改進(jìn)提供依據(jù)。
由第三方實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的 EMS 測(cè)試,并出具合規(guī)報(bào)告,如 CE 認(rèn)證報(bào)告,證明設(shè)備符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,獲得進(jìn)入市場(chǎng)的通行證。
EMS 和 EMI 雖然都屬于電磁兼容性的范疇,但關(guān)注的重點(diǎn)截然不同。EMI 關(guān)注的是設(shè)備自身向外界發(fā)射的電磁干擾,包括輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射,旨在控制設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境的干擾;而 EMS 關(guān)注的是外部電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響,確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正常運(yùn)行。
EMS 測(cè)試作為確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié),貫穿于設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和認(rèn)證的全過(guò)程。相關(guān)人員需深入理解測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試,并結(jié)合系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化,才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容性目標(biāo),推動(dòng)電子設(shè)備行業(yè)的健康發(fā)展。