汽车元件的EMI抗扰性测试

2009-02-09 13:55:21来源: 互联网
随着车辆中电子部件的增多,汽车厂商将部件外包的趋势也日益明显。承担电子部件生产的部件厂商必须负责其产品的测试,而随着车内环境日益复杂,汽车厂商对部件测试的要求也越来越高。本文旨在通过介绍汽车电子部件EMI抗扰性测试的各种方法及其优缺点,帮助测试工程师正确选择最佳的测试手段。
图1:典型的辐射干扰测试装置。

多年以来,电磁干扰(EMI)效应一直是现代电子控制系统中备受关注的一个问题。尤其在今天的汽车工业中,车辆采用了许多关键的和非关键(critical and non-critical)的车载电子模块,例如引擎管理模块、防抱死系统、电子动力转向功能模块(electrical power steering functions)、车内娱乐系统和热控制模块。

同时,车辆所处的电磁环境也更加复杂。车上的电子元件必须与射频发射机共存,这些发射机有些安装和设置得比较恰当(例如应急服务车辆中),有些却并非如此(例如一些出厂后安装的CB发射器和车载移动电话)。此外,车辆还可能进入一些外部发射机产生的强电磁场区域,强度可达几十甚至几百福特每米。汽车业在多年前就已意识到这些问题,所有著名厂商都已采取一定措施,通过制定测试标准和立法要求,力图借此减少电磁干扰的影响。因此,今天的车辆对这种干扰都具备了较强的抵抗能力。但EMI对车载模块的性能影响非常大,因此必须继续对其保持警惕。

车辆及其部件的测试是一个高度专业的领域,一向由厂商自己完成。在有些国家,许多车辆厂商会共同资助那些专业的测试实验室。随着车辆中使用的子部件日益增多,汽车厂商将部件外包的趋势也日趋明显,因此,EMC测试开始逐渐变成部件厂商的责任。在诸如ISO 11452 (国际标准化组织) 和 SAE J1113 (汽车工程师协会)等汽车部件抗扰性测试国际标准的子章节中,都描述了频率存在重叠的多种不同测试方法和测试级别。在没有任何更高的立法要求时,车辆厂商们就可以在这些通用标准的基础上制定其测试要求。即当某汽车厂商欲为其部件供应商制定部件级别的测试要求时,他可以从包含多种测试方法、测试频率范围和测试级别的清单上选择合适的款项来构成他自己的测试标准。最终,一个为多家汽车厂商提供子部件的厂家就有可能必须根据不同的标准,采用不同的方法,在同一个频率范围内测试同样的部件。

为了满足客户的测试需求,部件厂商可以采用一系列针对ISO 11452 和SAE J1113中包含的RF测试规范而设计的汽车部件测试系统来帮助完成工作。这些测试系统通常都是自含(self-contained)系统,遵循所有标准中规定的最高级别测试规范。采用这样的系统之后,部件厂商在对多个标准进行测试时,用到的许多测试仪器都是相同的,因而能节省大量资金。以下我们将讨论几种RF测试方法和汽车厂商测试需求中所规定的一些测试参数,并探讨部件厂商怎样才能根据不同客户的测试需求搭建相应的测试系统,达到只测试需要项目的目的。

几种RF测试方法
图2:电流注入法测试装置。

要想测试一个汽车部件的RF抗扰性,必须通过一种与车内干扰出现方式相当的方式向其施加RF干扰。这就引入了第一个变量。汽车可能会暴露在一个外场中,也可能携带有会产生干扰信号的发射机和天线,但无论如何,干扰场都可以直接作用于部件所处的位置。例如,当该部件安装在仪表盘上或附近的开放式区域时,它所产生的干扰就比当它被安装在车辆底盘附近甚或是在引擎箱内这样的屏蔽区时造成的危害要大得多。另一方面,为了供电和信号连接的需要,所有电子模块都连到车辆的配线系统。

而配线装置相当于一个有效的天线,能够与RF干扰耦合,不论部件安装在什么地方,RF电流都可能通过其接插件传导到部件中。鉴于此,我们通常采用的测试方法有两组:辐射干扰测试和传导干扰测试。

辐射干扰测试

所有的辐射测试法都不外向被测装置施加一个强度得到校准的RF场,这样,就能将RF电流和电压引入装置的内部结构,然后这些RF电流和电压又会出现在有源器件的敏感节点上,从而在电子线路中造成干扰。不同方法在施加RF场的方式上有所不同,它们各有其优、缺点和局限性。

微波暗室中的辐射天线测量法

最简单明了的产生RF场的方法就是向一个天线灌入能量,并将其指向被测设备(EUT)。天线能够将RF能量转化为一个辐射场,并使其充满测试区域。由于需要在很宽的频谱范围内产生高电平的RF信号,为了避免与附近的其他合法无线电用户相互干扰,测试应该在一个屏蔽室中进行。但这会引入墙壁的反射,从而改变室内的场分布。为解决这一问题,需要对屏蔽室的表面进行电波消声处理,创造一个“吸波室(absorber lined chamber)”环境,而这又会极大增加测试设备的成本。测试时使用的天线在被测频率范围内应该具有较宽的频率响应。车辆测试中的测试频率可能从10kHz到18GHz,因此需要的天线也有许多种不同的类型(见图1)。此外,加之于EUT上的场也应该尽可能均匀并且受到良好控制。测试时的场可能会影响暗室的规格,因此天线不能离EUT过近,方向性也不能太强,否则产生的场会只集中于EUT的某一个区域。同时,天线和EUT距离过近还会导致二者互感增大,从而加大天线上所加信号的控制难度。被测对象的物理尺寸越大,这一距离要求就越难满足。另外,根据公式P = (E · r)2/30 watts(当天线具备单元增益时),天线离EUT越远,达到某个给定场强时需要的功率就越大。

注意,该公式给出的是场强和距离的平方率关系,即当某个给定距离上的场强从10 V/m增大到20 V/m时,需要的功率是原来的4倍,或者说当场强从10 V/m增大到20 V/m时,在给定功率下,距离只有原来的四分之一。EUT位置处的场强通过一个各向同性的宽带场传感器来测量,各向同性是为了保证传感器对方向不敏感,而宽带则是为了保证它在不同频率下均能得到正确的测量值。

TEM单元法
图3:干扰直接注入法测试装置。

根据ISO 11452-3和 SAE J1113/24中的规定,TEM单元只是一段简单的封闭传输线,在其一端馈入一定的RF功率,并在另一端接一个负载阻抗。随着传输线中电磁波的传播,导体间就建立起一个电磁场。TEM(即横电磁波)描述的是在这类单元的作用区域内产生的占主导地位的电磁场。当传输线长度给定时,在一定的截面积上,场强均匀,且易测量或计算。EUT就放置在TEM单元的作用区域内。TEM单元一般呈箱体形式,内带一个隔离面,箱体的墙面作为传输线的一端,隔离面(或称隔膜,septum)作为另一端。TEM单元的几何构造对传输线的特性阻抗有决定性的影响。箱体是封闭的,除了很小的泄漏以外,单元外没有电磁场,因此这种单元可以不加外屏蔽地应用于任何环境。其主要缺点是其存在频率上限,这一上限频率与其物理尺寸称反比(见表1)。当频率高于此上限时,其内部电磁场的结构中开始出现高次模,场的均匀性,尤其是在由TEM单元的确切尺寸决定的谐振频率处的场均匀性,也开始变差。TEM单元能够测量的最大EUT尺寸受其内部可用的场强均匀区域体积的限制,因此最大EUT尺寸和该单元可测的最高频率之间有着直接关系。TEM单元的最低测量频率可到DC,这也是它与辐射天线测量法的不同之处。

带状线法和三平面法

这两种方法与TEM单元法有本质的区别。TEM单元法属于封闭型测量方法,而带状线法和三平面法所采用的测试装置则是开放式传输线。也就是说,在采用这两种方法时,最大场虽然位于平面之间,但仍有能量辐射到测试装置外部,因此测试必须在一间屏蔽室内进行。ISO 11452-5 和 SAE J1113/23中均对带状线测试有所描述,而三平面测试只在 SAE J1113/25中提到。

在带状线测试中,被测部件模块只对连接它与相关设备的电缆装置暴露,并不暴露在平面间的最大场强处。带状线平面作为传输线的源导体,其下放置1.5米的电缆装置,测试的参考地平面则作为另一端导体。带状线产生的场会在电缆装置中感应出经向电流,然后耦合入EUT。因此,带状线测试几乎算是辐射场测试和传导测试这两种方法的混合。

三平面测试装置中,一个有源内导体被两个外平面夹在中间,产生的阻抗可通过计算得到。被测模块放置于中心导体和一个外平面之间,中心导体的另一面置空。由于整个测试装置的结构是对称的,因此可在置空的这一面与EUT呈镜像位置的地方放置一个场强探头。和TEM单元测试一样,带状线测试和三平面测试装置均有一个受其尺寸限制的频率上限。在等于或高于由该理尺寸决定的谐振频率时,就会产生不受控制的电磁场高次模。这三种方法相对于辐射天线法的优势就在于,采用这三种方法时,只需要不多的功率就能够产生比辐射天线法大得多的场强,因为场强等于导体平面之间的电压除以它们之间的距离。

传导干扰测试

第二类测试方法叫做传导干扰测试,它不需在被测模块放置之处施加电磁场,而是直接将RF干扰施加在电缆装置或接入被测部件模块的装置中。这样一来,随着RF电流在电路结构(例如一块印制电路板PCB)中传输,部件模块与外部装置的连接处就会产生一个电流,从而在电子线路中造成干扰。这种方法与辐射场测试法虽然结果类似,但二者之间没有任何等同之处,因此这两种方法都常用于进行完整测试,有时两种测试的频率范围还有重叠。传导干扰测试最常采用的两种耦合方法有电流注入法(bulk current injection,BCI)和直接注入法,前者需要向EUT中注入干扰电流,并控制注入电流的大小,后者则注入功率并控制注入功率的大小。
表1:TEM单元法的频率上限。

电流注入法(BCI)

BCI法在ISO 11452-4和SAE J1113/4中均有描述,采用该方法时,将一个电流注入探头放在连接被测件的电缆装置之上,然后向该探头注入RF干扰。此时,探头作为第一电流变换器,而电缆装置作为第二电流变换器,因此,RF电流先在电缆装置中以共模方式流过(即电流在装置的所有导体上以同样的方式流通),然后再进入EUT的连接端口。

真正流过的电流由电流注入处装置的共模阻抗决定,而在低频下这几乎完全由EUT和电缆装置另一端所连接的相关设备对地的阻抗决定。一旦电缆长度达到四分之一波长,阻抗的变化就变得十分重要,它可能降低测试的可重复性(见图2)。此外,由于电流注入探头会带来损耗,因而需要较大的驱动能力才能在EUT上建立起合理的干扰水平。尽管如此,BCI法还是有一个很大的优点,那就是其非侵入性,因为探头可以简单地夹在任何直径不超过其最大可接受直径的电缆上,而不需进行任何直接的电缆导体连接,也不会影响电缆所连接的工作电路。

直接注入法

BCI法对驱动能力要求过高,而且在测试过程中与相关设备的隔离也不好,直接注入法的目的就是克服BCI法的这两个缺点。具体做法是将测试设备直接连接到EUT电缆上,通过一个宽带人工网络(Broadband Artificial Network,BAN)将RF功率注入EUT电缆,而不干扰EUT与其传感器和负载的接口(见图3),该BAN在测试频率范围内对EUT呈现的RF阻抗可以控制。BAN在流向辅助设备的方向至少能够提供500W的阻塞阻抗。干扰信号通过一个隔直电容,直接耦合到被测线上。ISO 11452-7和SAE J1113/3中描述了该方法。

汽车部件EMI测试的测试参数

在车辆部件EMI测试中,根据不同车辆厂商所提出的不同要求,除了引入干扰信号的基本方法有所不同以外,还有许多参数也会有所不同。但不论RF干扰怎样产生,这些参数都是相关的。

频率范围

受测试方法本身及其所用换能器(transducer)的限制,上述的每一种方法都只适用于一个既定的频率范围。表2列出了本文中讨论的各种方法在相应标准中公布的适用频率范围。测试过程中,通常需要使测试信号在整个频率范围内扫描变化或步进变化,监测此时EUT与其应有功能和性能的差异来得到测试结果。每次测试的最小滞留时间一般为2秒,如果EUT的时间常数较大,滞留时间可能更长。如果采用软件控制的测试信号发生器,那么测试信号通常不是扫描过整个频率范围,而是采用步进方式,因此还要定义频率步进的步长。滞留时间和频率步长二者共同决定了执行单次扫描所需花费的时间,从而也决定了整个测试所需的时间。

幅度控制

不论采用哪种测试方法,对施加在EUT上的测试信号幅度都必须小心控制。幅度控制的方法按照原理不同通常可分为两类,一类叫闭环控制法,一类叫开环控制法。在带状线测试和TEM单元测试时,可以通过已知的净输入功率和传输线的参数来计算得到的场。但除了这两种方法以外,都需要利用闭环法来实现幅度控制。在辐射干扰测试中,干扰信号的单位采用伏特/米(volts/meter),在电流注入测试中,单位采用微安(milliamps),在直接功率注入测试中,单位采用瓦特(watts)。

闭环法
表2:不同测试方法在不同标准中的适用频率范围。

采用闭环控制法时,一个场强仪或电流监控探头一直监测着施加在EUT上的激励,据此将功率调整到目标值。该方法存在一个问题,那就是EUT的介入打乱了我们用作干扰激励的电磁场,因此找不到一个能够正确反映出我们得到的场强,并对所有类型EUT普遍适用的位置来放置场强仪,在微波暗室中进行辐射干扰测试时这一问题尤其明显。当测试频率使得EUT尺寸与波长可以相比拟时,在某些位置上场的分布可能会出现大幅下降。如果场强仪刚好放置在一个这样的位置上,那么当我们根据场强仪的读数来维持需要的电磁场强度时,势必会在EUT附近的位置上造成严重的过测(over-testing)。BCI测试中也存在类似问题,当EUT的共模输入阻抗与测试信号谐振时,要维持需要的电流就会造成过测(over-testing)。实际上,在这样的环境下,许多时候放大器都无法提供维持规定电平所需的功率,而一旦放大器过载,还会造成更多的测试问题。

开环法

采用开环法就能回避上述问题。开环法有时也叫做置换法。采用开环法时,首先将一个既定强度的信号送入测试设备进行校准设置。在每个频率上,放大器的输出功率均受一个辅助功率计的监控,当放大器输出电平达到目标值时,对其进行记录。最后,在真实测试时,再将这个预校准的功率记录进行严格的重放。总的来说,由于对施加在EUT上的场或电流(volts per meter 或 milliamps)的测量并不在测试的要求内,因此开环法并不测量它们,只是对其进行监控,以确认系统工作正常。但由于上节谈到的原因,我们也不可能看到真正正确的测量值。在辐射干扰测试中,校准设置过程要求在EUT于微波暗室中应占据的准确位置上放置一台场强仪。而在传导干扰测试中,校准设备是一个阻抗值给定的负载,我们在其两端测量功率或电流。开环法所用到的功率参数包括净功率,或者输入换能器的前向功率和换能器反射回来的反向功率之差。在假设没有其他重大损耗时,这个差值就等于真正送入EUT的功率。因此,在采用直接耦合器时,必须在每个频率上测量两个功率。这时,可以利用一台功率计对耦合器的前向输出和反向输出分别顺序测量,也可以利用两台功率计同时测量。净功率用于说明换能器的电压驻波比(VSWR),因为当引入EUT时VSWR会发生变化。但当EUT与测试装置严格匹配时,要保持净功率所需的前向功率相对于校准所需的功率可能有较大变化。为避免过测,为保持所需净功率而增大的前向功率不能超过2dB,即使2dB还不能满足要求,也不应继续增大,而只能将此记录在测试报告中。

调制频率和调制深度

所有的RF抗扰性测试都需要在每个频率上对EUT施加CW(未调连续波)和已调AM信号,而EUT的响应通常更易受已调干扰影响。一般情况下,测试标准中所规定的调制信号都是调制深度为80%,频率为1kHz的正弦波。但也有个别的车辆厂商可能会有不同的要求。定义调制参数的目的是为AM和CW测试规定一个恒定的峰值电平。这一点与商用(IEC 61000-4 系列)RF抗扰性测试不同。在商用RF抗扰性测试中,调制信号的峰值功率比未调信号高5.3 dB。而在峰值电平恒定的测试中调制深度为80%的已调信号功率只有未调信号功率的0.407倍。ISO 11452中清楚地定义了这种信号的施加过程:

●在每个频点上,线性或对数增大信号强度直到信号强度满足要求(对开环法指净功率满足要求,对闭环法则指测试信号的电平严格满足要求),根据+2 dB准则监测前向功率。

●按要求施加已调信号,并使测试信号保持时间等于EUT最小响应时间。

●缓慢降低测试信号强度,然后进行下一个频率的测试。

监测EUT

在施加测试信号时,必须监测EUT的响应,并与其应达到的性能准则进行比较,以确定被测件是否通过测试。由于不同EUT的功能和需要满足的性能准则均不相同,因此本文不可能对这些监控方法进行概括。但如果测试软件能够自动完成部分或全部监测工作,那么整个测试就会更加简单可靠。监测过程可能只需简单地测量和记录每个频率点上的输出电压,也可能涉及一些特殊的EUT软件,这些软件能够在测试发现错误时给出标记。

报告测试结果

在测试完成,EUT的响应也观测完毕之后,测试工程师的工作还只完成了一半。接着他或她还必须按照车辆厂商所规定的格式创建测试报告。一个部件厂商可能为多个车辆厂商提供产品,因此对同一组测试,部件厂商可能需要提交多种格式的测试报告。有些软件包中包含可选的报告生成模块,能够提供针对不同的车辆厂商定制的标准报告模板。虽然测试工程师们大都很享受测试过程,却很少有人喜欢撰写测试报告,因此所有测试实验室的经理都十分明白,为客户提供测试报告是一项最困难的任务。有了自动报告生成软件模块,不但测试工程师们不必再承担撰写测试报告的苦差,客户的要求也能更快得到满足。综上所述,虽然汽车工业中的部件EMC测试中包含许多可变参数,我们仍然可以高效地完成针对不同车辆厂商的覆盖很宽频率范围的测试。本文介绍了汽车工业中部件测试所采用的多种方法,并概括了各种方法的优缺点,通过阅读本文,测试工程师可以更好的选择测试方法,以满足客户的需求。

关键字:EMI  汽车电子  抗扰性  测试

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2009/0209/article_721.html
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