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汽車元件的EMI抗擾性測試

上網時間: 2005年02月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMI immunity test  EMI抗擾性測試  automotive component  汽車元件  EUT 

隨著車輛中電子元件的增多,汽車廠商將元件外包的趨勢也日益明顯。負責電子元件生產的元件廠商必須負責其產品的測試,而隨著車內環境日益複雜,汽車廠商對元件測試的要求也越來越高。本文旨在透過介紹汽車電子元件EMI抗擾性測試的各種方法及其優缺點,幫助測試工程師正確選擇最佳的測試方法。

圖1:典型的輻射干擾測試裝置。

多年以來,電磁干擾(EMI)效應一直是現代電子控制系統中備受關注的一個問題。尤其在今天的汽車產業中,車輛採用了許多關鍵的和非關鍵的車載電子模組,例如引擎管理模組、ABS系統、電子動力方向盤功能模組、車內娛樂系統和熱控制模組。

同時,車輛所處的電磁環境也更加複雜。車上的電子元件必須與射頻發射機共存,這些發射機有些安裝和設置得比較恰當(例如救護車中),有些卻並非如此(例如一些出廠後安裝的CB發射器和車載行動電話)。此外,車輛還可能進入一些外部發射機產生的強電磁場區域,強度可達幾十甚至幾百伏特每公尺。汽車業在多年前就已意識到這些問題,所有著名廠商都已採取一定措施,透過制定測試標準和立法要求,力圖減少電磁干擾的影響。因此,今天的車輛對這種干擾都具備了較強的抵抗能力。但EMI對車載模組的性能影響非常大,因此必須繼續對其保持警惕。

車輛及其元件的測試是高度專業領域,一向由廠商自己完成。在有些國家,許多車輛廠商會共同資助那些專業的測試實驗室。隨著車輛中使用的電子元件日益增多,汽車廠商將元件外包的趨勢也日趨明顯,因此,EMC測試開始逐漸變成元件廠商的責任。在諸如ISO 11452(國際標準組織)和SAE J1113(汽車工程師協會)等汽車元件抗擾性測試國際標準的子章節中,都描述了頻率存在重疊的多種不同測試方法和測試等級。在沒有任何更高的立法要求時,車輛廠商們就可以在這些通用標準的基礎上制定其測試要求。即當某汽車廠商欲為其元件供應商制定元件等級的測試要求時,他可以從包含多種測試方法、測試頻率範圍和測試等級的清單上選擇合適的款項來構成他自己的測試標準。最終,一個為多家汽車廠商提供子元件的廠家就有可能必須根據不同的標準,採用不同的方法,在同一個頻率範圍內測試同樣的元件。

圖2:電流注入法測試裝置。

為了滿足客戶的測試需求,元件廠商可以採用一系列針對ISO 11452和SAE J1113中包含的RF測試規格而設計汽車元件測試系統來幫助完成工作。這些測試系統通常都是自含(self-contained)系統,遵循所有標準中規定的最高等級測試規格。採用這樣的系統之後,元件廠商在對多個標準進行測試時,用到的許多測試儀器都是相同的,因而能節省大量資金。以下我們將討論幾種RF測試方法和汽車廠商測試需求中所規定的一些測試參數,並探討元件廠商怎樣才能根據不同客戶的測試需求搭建相應的測試系統,達到只測試需要計畫的目的。

幾種RF測試方法

要想測試一個汽車元件的RF抗擾性,必須透過一種與車內干擾出現方式相當的方式向其施加RF干擾。這就導入了第一個變量。汽車可能會暴露在一個外場中,也可能攜具有會產生干擾訊號的發射機和天線,但無論如何,干擾場都可以直接作用於元件所處的位置。例如,當該元件安裝在儀表盤上或附近的開放式區域時,它所產生的干擾就比當它被安裝在車輛底盤附近甚或是在引擎箱內這樣的屏蔽區時造成的危害要大得多。另一方面,為了供電和訊號連接的需要,所有電子模組都連到車輛的配線系統。

而配線裝置相當於一個有效的天線,能夠與RF干擾耦合,不論元件安裝在什麼地方,RF電流都可能透過其接插件傳導到元件中。鑒於此,我們通常採用的測試方法有兩組:輻射干擾測試和傳導干擾測試。

輻射干擾測試

所有的輻射測試法都不外向被測裝置施加一個強度得到校準的RF場,這樣,就能將RF電流和電壓導入裝置的內部結構,然後這些RF電流和電壓又會出現在主動元件的感應節點上,因而在電子線路中造成干擾。不同方法在施加RF場的方式上有所不同,它們各有其優、缺點和侷限性。

微波暗室中的輻射天線測量法

最簡單明了的產生RF場的方法就是向一個天線灌入能量,並將其指向被測設備(EUT)。天線能夠將RF能量轉化為一個輻射場,並使其充滿測試區域。由於需要在很寬的頻譜範圍內產生高電平的RF訊號,為了避免與附近的其他合法無線電用戶相互干擾,測試應該在一個屏蔽室中進行。但這會導入牆壁的反射,因而改變室內的場分佈。為解決這一問題,需要對屏蔽室的表面進行電波消聲處理,創造一個‘吸波室(absorber lined

圖3:干擾直接注入法測試裝置。

chamber)’環境,而這又會極大增加測試設備的成本。測試時使用的天線在被測頻率範圍內應該具有較寬的頻率響應。車輛測試中的測試頻率可能從10kHz到18GHz,因此需要的天線也有許多種不同的類型(見圖1)。此外,加之於EUT上的場也應該盡可能均勻並且受到良好控制。測試時的場可能會影響暗室的規格,因此天線不能離EUT過近,方向性也不能太強,否則產生的場會只集中於EUT的某一個區域。同時,天線和EUT距離過近還會導致二者互感增大,因而加大天線上所加訊號的控制難度。被測對象的實體尺寸越大,這一距離要求就越難滿足。另外,根據公式P=(E•r)2/30W(當天線具備單元增益時),天線離EUT越遠,達到某個特定場強時需要的功率就越大。

注意,該公式給出的是場強和距離的平方率關係,即當某個特定距離上的場強從10V/m增大到20V/m時,需要的功率是原來的4倍,或者說當場強從10V/m增大到20V/m時,在特定功率下,距離只有原來的四分之一。EUT位置處的場強透過一個各向同性的寬頻場感應器來測量,各向同性是為了保證感應器對方向不感應,而寬頻則是為了保證它在不同頻率下均能得到正確的測量值。

TEM單元法

根據ISO 11452-3和SAE J1113/24中的規定,TEM單元只是一段簡單的封閉傳輸線,在其一端饋入一定的RF功率,並在另一端接一個負載阻抗。隨著傳輸線中電磁波的傳播,導體間就設立起一個電磁場。TEM(即橫電磁波)描述的是在這類單元的作用區域內產生的佔主導地位的電磁場。當傳輸線長度特定時,在一定的截面積上,場強均勻,且易測量或運算。EUT就放置在TEM單元的作用區域內。TEM單元一般呈箱體形式,內帶一個隔離面,箱體的牆面作為傳輸線的一端,隔離面(或稱隔膜,septum)作為另一端。TEM單元的幾何構造對傳輸線的特性阻抗有決定性的影響。箱體是封閉的,除了很小的泄漏以外,單元外沒有電磁場,因此這種單元可以不加外屏蔽地應用於任何環境。其主要缺點是其存在頻率上限,這一上限頻率與其實體尺寸稱反比(見表1)。當頻率高於此上限時,其內部電磁場的結構中開始出現高次模,場的均勻性,尤其是在由TEM單元的確切尺寸決定的諧振頻率處的場均勻性,也開始變差。TEM單元能夠測量的最大EUT尺寸受其內部可用的場強均勻區域體積的限制,因此最大EUT尺寸和該單元可測的最高頻率之間有著直接關係。TEM單元的最低測量頻率可到DC,這也是它與輻射天線測量法的不同之處。

帶狀線法和三平面法

這兩種方法與TEM單元法有本質的區別。TEM單元法屬於封閉型測量方法,而帶狀線法和三平面法所採用的測試裝置則是開放式傳輸線。也就是說,在採用這兩種方法時,最大場雖然位於平面之間,但仍有能量輻射到測試裝置外部,因此測試必須在一間屏蔽室內進行。ISO 11452-5和SAE J1113/23中均對帶狀線測試有所描述,而三平面測試只在SAE J1113/25中提到。

在帶狀線測試中,被測元件模組只對連接它與相關設備的電纜裝置暴露,並不暴露在平面間的最大場強處。帶狀線平面作為傳輸線的源導體,其下放置1.5公尺的電纜裝置,測試的參考地平面則作為另一端導體。帶狀線產生的場會在電纜裝置中感應出經向電流,然後耦合入EUT。因此,帶狀線測試幾乎算是輻射場測試和傳導測試這兩種方法的混合。

三平面測試裝置中,一個主動內導體被兩個外平面夾在中間,產生的阻抗可透過運算得到。被測模組放置於中心導體和一個外平面之間,中心導體的另一面置空。由於整個測試裝置的結構是對稱的,因此可在置空的這一面與EUT呈鏡像位置的地方放置一個場強探針。和TEM單元測試一樣,帶狀線測試和三平面測試裝置均有一個受其尺寸限制的頻率上限。在等於或高於由該理尺寸決定的諧振頻率時,就會產生不受控制的電磁場高次模。這三種方法相對於輻射天線法的優勢就在於,採用這三種方法時,只需要不多的功率就能夠產生比輻射天線法大得多的場強,因為場強等於導體平面之間的電壓除以它們之間的距離。

傳導干擾測試

第二類測試方法叫做傳導干擾測試,它不需在被測模組放置之處施加電磁場,而是直接將RF干擾施加在電纜裝置或接取被測元件模組的裝置中。這樣一來,隨著RF電流在電路結構(例如一塊印刷電路板PCB)中傳輸,元件模組與外部裝置的連接處就會產生一個電流,因而在電子線路中造成干擾。這種方法與輻射場測試法雖然結果類似,但二者之間沒有任何等同之處,因此這兩種方法都常用於進行完整測試,有時兩種測試的頻率範圍還有重疊。傳導干擾測試最常採用的兩種耦合方法有電流注入法(bulk current injection,BCI)和直接注入法,前者需要向EUT中注入干擾電流,並控制注入電流的大小,後者則注入功率並控制注入功率的大小。

電流注入法(BCI)

BCI法在ISO 11452-4和SAE J1113/4中均有描述,採用該方法時,將一個電流注入探針放在連接被測件的電纜裝置之上,然後向該探針注入RF干擾。此時,探針作為第一電流變換器,而電纜裝置作為第二電流變換器,因此,RF電流先在電纜裝置中以共模方式流過(即電流在裝置的所有導體上以同樣的方式流通),然後再進入EUT的連接埠。

真正流過的電流由電流注入處裝置的共模阻抗決定,而在低頻下這幾乎完全由EUT和電纜裝置另一端所連接的相關設備對地的阻抗決定。一旦電纜長度達到四分之一波長,阻抗的變化就變得十分重要,它可能降低測試的可重覆性(見圖2)。此外,由於電流注入探針會帶來損耗,因而需要較大的驅動能力才能在EUT上設立起合理的干擾水準。儘管如此,BCI法還是有一個很大的優點,那就是其非侵入性,因為探針可以簡單地夾在任何直徑不超過其最大可接受直徑的電纜上,而不需進行任何直接的電纜導體連接,也不會影響電纜所連接的工作電路。

直接注入法

BCI法對驅動能力要求過高,而且在測試過程中與相關設備的隔離也不好,直接注入法的目的就是克服BCI法的這兩個缺點。具體做法是將測試設備直接連接到EUT電纜上,透過一個寬頻人工網路(Broadband Artificial Network,BAN)將RF功率注入EUT電纜,而不干擾EUT與其感應器和負載的介面(見圖3),該BAN在測試頻率範圍內對EUT呈現的RF阻抗可以控制。BAN在流向輔助設備的方向至少能夠提供500W的阻塞阻抗。干擾訊號透過一個隔直電容器,直接耦合到被測線上。ISO 11452-7和SAE J1113/3中描述了該方法。

汽車元件EMI測試的測試參數

在車輛元件的EMI測試中,根據不同車輛廠商所提出的不同要求,除了導入干擾訊號的基本方法有所不同以外,還有許多參數也會有所不同。但不論RF干擾怎樣產生,這些參數都是相關的。

表1:TEM單元法的頻率上限。

頻率範圍

受測試方法本身及其所用換能器(transducer)的限制,上述的每一種方法都只適用於一個既定的頻率範圍。表2列出了本文中討論的各種方法在相應標準中公佈的適用頻率範圍。測試過程中,通常需要使測試訊號在整個頻率範圍內掃描變化或步進變化,監測此時EUT與其應有功能和性能的差異來得到測試結果。每次測試的最小滯留時間一般為2秒,如果EUT的時間常數較大,滯留時間可能更長。如果採用軟體控制的測試訊號發生器,那麼測試訊號通常不是掃描過整個頻率範圍,而是採用步進方式,因此還要定義頻率步進的步長。滯留時間和頻率步長二者共同決定了執行單次掃描所需花費的時間,因而也決定了整個測試所需的時間。

幅度控制

不論採用哪種測試方法,對施加在EUT上的測試訊號幅度都必須小心控制。幅度控制的方法按照原理不同通常可分為兩類,一類叫閉環控制法,一類叫開環控制法。在帶狀線測試和TEM單元測試時,可以透過已知的淨輸入功率和傳輸線的參數來運算得到的場。但除了這兩種方法以外,都需要利用閉環法來實現幅度控制。在輻射干擾測試中,干擾訊號的單位採用伏特/公尺(volts/meter),在電流注入測試中,單位採用微安(milliamps),在直接功率注入測試中,單位採用瓦特(watts)。

閉環法

採用閉環控制法時,一個場強儀或電流監控探針一直監測著施加在EUT上的激勵,據此將功率調整到目標值。該方法存在一個問題,那就是EUT的介入打亂了我們作為干擾激勵的電磁場,因此找不到一個能夠正確反映出我們得到的場強,並對所有類型EUT普遍適用的位置來放置場強儀,在微波暗室中進行輻射干擾測試時這一問題尤其明顯。當測試頻率使得EUT尺寸與波長可以相較擬時,在某些位置上場的分佈可能會出現大幅下降。如果場強儀剛好放置在一個這樣的位置上,那麼當我們根據場強儀的讀數來維持需要的電磁場強度時,勢必會在EUT附近的位置上造成嚴重的過測(over-testing)。BCI測試中也存在類似問題,當EUT的共模輸入阻抗與測試訊號諧振時,要維持需要的電流就會造成過測(over-testing)。實際上,在這樣的環境下,許多時候放大器都無法提供維持規定電平所需的功率,而一旦放大器過載,還會造成更多的測試問題。

開環法

表2:不同測試方法在不同標準中的適用頻率範圍。

採用開環法就能迴避上述問題。開環法有時也叫做置換法。採用開環法時,首先將一個既定強度的訊號送入測試設備進行校準設置。在每個頻率上,放大器的輸出功率均受一個輔助功率計的監控,當放大器輸出電平達到目標值時,對其進行記錄。最後,在真實測試時,再將這個預校準的功率記錄進行嚴格的重放。總的來說,由於對施加在EUT上的場或電流(volts per meter或milliamps)的測量並不在測試的要求內,因此開環法並不測量它們,只是對其進行監控,以確認系統工作正常。但由於上節談到的原因,我們也不可能看到真正正確的測量值。在輻射干擾測試中,校準設置過程要求在EUT於微波暗室中應佔據的準確位置上放置一台場強儀。而在傳導干擾測試中,校準設備是一個阻抗值特定的負載,我們在其兩端測量功率或電流。開環法所用到的功率參數包括淨功率,或者輸入換能器的前向功率和換能器反射回來的反向功率之差。在假設沒有其他重大損耗時,這個差值就等於真正送入EUT的功率。因此,在採用直接耦合器時,必須在每個頻率上測量兩個功率。這時,可以利用一台功率計對耦合器的前向輸出和反向輸出分別順序測量,也可以利用兩台功率計同時測量。淨功率用於說明換能器的電壓駐波比(VSWR),因為當導入EUT時VSWR會發生變化。但當EUT與測試裝置嚴格匹配時,要保持淨功率所需的前向功率相對於校準所需的功率可能有較大變化。為避免過測,為保持所需淨功率而增大的前向功率不能超過2dB,即使2dB還不能滿足要求,也不應繼續增大,而只能將此記錄在測試報告中。

調變頻率和調變深度

所有的RF抗擾性測試都需要在每個頻率上對EUT施加CW(未調連續波)和已調AM訊號,而EUT的響應通常更易受已調干擾影響。一般情況下,測試標準中所規定的調變訊號都是調變深度為80%,頻率為1kHz的正弦波。但也有個別的車輛廠商可能會有不同的要求。定義調變參數的目的是為AM和CW測試規定一個?定的峰值電平。這一點與商用(IEC 61000-4系列)RF抗擾性測試不同。在商用RF抗擾性測試中,調變訊號的峰值功率比未調訊號高5.3dB。而在峰值電平?定的測試中調變深度為80%的已調訊號功率只有未調訊號功率的0.407倍。ISO 11452中清楚地定義了這種訊號的施加過程:


●在每個頻點上,線性或對數增大訊號強度直到訊號強度滿足要求(對開環法指淨功率滿足要求,對閉環法則指測試訊號的電平嚴格滿足要求),根據+2dB準則監測前向功率。


●按要求施加已調訊號,並使測試訊號保持時間等於EUT最小響應時間。


●緩慢降低測試訊號強度,然後進行下一個頻率的測試。

監測EUT

在施加測試訊號時,必須監測EUT的響應,並與其應達到的性能準則進行比較,以確定被測件是否通過測試。由於不同EUT的功能和需要滿足的性能準則均不相同,因此本文不可能對這些監控方法進行概括。但如果測試軟體能夠自動完成部份或全部監測工作,那麼整個測試就會更加簡單可靠。監測過程可能只需簡單地測量和記錄每個頻率點上的輸出電壓,也可能涉及一些特殊的EUT軟體,這些軟體能夠在測試發現錯誤時給出標記。

報告測試結果

在測試完成,EUT的響應也觀測完畢之後,測試工程師的工作還只完成了一半。接著還必須按照車輛廠商所規定的格式製作測試報告。一個元件廠商可能為多個車輛廠商提供產品,因此對同一組測試,元件廠商可能需要提交多種格式的測試報告。有些套裝軟體中包含可選的報告生成模組,能夠提供針對不同的車輛廠商定製的標準報告模板。雖然測試工程師們大都很享受測試過程,卻很少有人喜歡撰寫測試報告,因此所有測試實驗室的經理都十分明白,為客戶提供測試報告是一項最困難的任務。有了自動報告生成軟體模組,不但測試工程師們不必再負責撰寫測試報告的苦差,客戶的要求也能更快得到滿足。綜上所述,雖然汽車產業中的元件EMC測試中包含許多可變參數,我們仍然可以高效地完成針對不同車輛廠商的覆蓋很寬頻率範圍的測試。本文介紹了汽車產業中元件測試所採用的多種方法,並概括了各種方法的優缺點,透過閱讀本文,測試工程師可以更好的選擇測試方法,以滿足客戶的需求。

作者:John Dearing& Greg Senko





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