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嘉峪檢測網 2020-11-16 08:52
我們都知道對于有源醫療器械來說,其注冊檢驗通用的無非就是四大項:安規、電磁兼容、環境試驗以及產品自身的性能測試,若適用的話還有產品專標的測試以及報警的測試。本篇文章從EMC概念、EMC標準、EMC測試的意義、EMC測試項目以及具體測試方法來介紹一下EMC相關知識,對有源醫療器械研發、測試、注冊、法規、生產、體系等相關人員應該有所幫助。
一、什么是電磁兼容
1.1電磁兼容概念
電磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility):是一門新興的綜合性學科,是電子、電氣設備或系統的重要技術性能。國家標準GB/T 4365-2003《電磁兼容術語》對電磁兼容所下的定義為“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力”,即電子、電氣設備或系統在同一電磁環境中能良好執行各自功能的這樣一個共存狀態,簡單點說,就是各種設備都能正常工作又互不干擾,達到“兼容”狀態。要注意電磁兼容所要求的兩個基本方面:在共同的電磁環境中,不受干擾且不干擾其他設備。
那么明白了以上呢我們知道,EMC包括兩個方面的要求:一方面是指電子、電氣設備或系統在正常運行過程中不會影響處在同一環境下的其他設備正常運行,具體如何判斷呢?即對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值,這就是我們常說的EMI(Electro Magnetic Interference)電磁干擾。
另一方面是指電子、電氣設備或系統能不受同一環境下的其他電子電器設備或系統的影響以至于不能正常工作,我們知道醫院具備一個復雜的電磁環境,同一病房可能多種設備同時運行,這也就要求設備對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即我們常說的EMS(Electro Magnetic Susceptibility)電磁抗擾度,EMS是沒有一個具體的限值的,而是有一個符合性準則,后面再談。
EMC(電磁兼容)=EMI(電磁干擾)+EMS(電磁抗擾度)
如果這么說我們還是覺得抽象的話,下面我們舉幾個例子來說明一下:
生活中我們是否見到過這樣的現象
如果圖中兩人為設備的話那么二者電磁兼容都不合格,一方面說明脫襪子的同學1產生的干擾顯然影響了同學2而使其不能正常工作,另一方面呢說明同學2的抗干擾能力不足以致受同學1影響,開個玩笑哈,不過理就是這么個理……
好了,下面說幾個正常點的
例子1:小時候我們應該經歷過,打開電視時,室內的日光燈會出現瞬間變暗的現象,這是因為電視打開的瞬間大量電流流向電視機,電壓驟然下降導致使用同一電源的日光燈受到影響。
例子2:在手機來電時,話筒會出現失真伴有刺耳的“吱吱”聲或者電視/電腦屏幕出現閃爍,這些是因為你手機通訊的電波從空間耦合到話筒、電視/電腦接收天線上使其受到干擾。
像例子1中由一個設備中產生的電壓/電流變化通過電源線、信號線傳導并影響其他設備時,將這個電壓/電流的變化稱為傳導干擾;而像例子2中通過空間傳播并對其他設備產生無用電壓/電流,造成危害的干擾稱為輻射干擾。
了解了電磁兼容的概念,我們再一起來看看電磁兼容由何組成~
1.2電磁兼容三要素
任何產生電磁兼容問題的情況都必須具備以下三個條件:騷擾源(干擾源)、耦合途徑、敏感設備,我們稱之為電磁兼容三要素,缺少任何一個都構不成電磁兼容問題。騷擾源即產生騷擾的電子、電氣設備或系統,說明騷擾從哪里來;耦合途徑是將騷擾源產生的騷擾傳輸到敏感設備的途徑,說明騷擾如何傳輸;敏感設備是受到騷擾影響的電子、電氣設備或系統,說明了騷擾到哪里去。
電磁干擾源通常分為自然干擾源和人為干擾源。
自然干擾源包括:
(1)大氣噪聲干擾:如雷電產生的火花放電,屬于脈沖干擾,其頻率從幾Hz到100MHz以上。
(2)太陽噪聲干擾:指太陽黑子的輻射噪聲。在太陽黑子活動期.黑子的爆發產生的強烈噪聲可致使通信中斷。
(3)寧宙噪聲:指來自宇宙天體的噪聲。
(4)靜電放電:人體、設備上所積累的靜電電壓可高達幾萬伏乃至幾十萬伏.常以電暈或火花方式放掉,稱為靜電放電。靜電放電產生強大的瞬間電流和電磁脈沖,會導致靜電敏感器件及設備的損壞。
人為干擾源指而電氣電子設備和其他人工裝置產生的電磁干擾。這里所說的人為干擾源都是指無意識的干擾,至于為了達到某種目的而有意施放的干擾,如軍事上或者比賽等的電子對抗則不屬于本文討論范圍。
常見的人為干擾源包括:
(1)無線電發射設備:包括移動通信系統、廣播、電視、雷達、導航及無線電接力通信系統.
(2)工業、科學、醫療(ISM)設備:如高頻手術刀、X光機、核磁CT、高頻理療設備等.
(3)電力設備:包括電機、繼電器、電梯等設備
(4)汽車、內燃機點火系統:汽車點火系統產生寬帶干擾,從幾百千赫到幾百兆赫。
(5)電網干擾:指由50Hz交流電網強大的電磁場和大地漏電流產生的干擾,以及高壓輸電線的電暈和絕緣斷裂等接觸不良產生的微弧和受污染導體表面的電火花。
(6)高速數字電子設備:包括計算機和相關設備。
電磁干擾的傳輸途徑分兩種方式:傳導傳輸方式和輻射傳輸方式,從被干擾的敏感器角度來看,干擾的耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩類。
還拿例子一來說,電視就是騷擾源,電線則是耦合路徑,日光燈則是敏感設備,三者一起導致了EMC問題的發生。需要強調的是:任何電子電氣設備都可能是騷擾源,也可能是敏感設備;騷擾源可以是無信息的電磁噪聲也可以是有用的功能性信號!
1.3為什么要做電磁兼容
對于醫療電子設備來說,醫院內往往存在較多的醫療電子設備,致其電磁環境較為復雜,醫療設備處于這一環境中,十分容易遭受電磁的干擾,可能導致設備運轉異常,對醫生的診斷造成嚴重障礙,且部分重要設備因干擾導致無法正常工作時,可能危害患者的生命。受到電磁干擾的影響,部分診斷儀器發生偏差后,醫生拿到錯誤的診斷結果,將發生診斷失誤,耽誤患者治療。如若心電圖受到電磁干擾影響后,在患者本身信號中增加了電磁干擾信號,導致得到的心電圖結果發生偏差,醫生難以通過心電圖正確診斷患者的病情。醫院應用的血液透析設備,若該儀器受到電磁干擾影響,無法正常過濾人體血液內的代謝產物、多余藥物,將對患者的治療效果產生不良影響。且電磁干擾一旦對重要儀器產生干擾,將導致醫療事故,影響患者生命,如呼吸機、心臟起搏器等,受到電磁干擾影響后,無法正常運轉,將直接威脅患者生命安全。
故對醫療器械執行電磁兼容測試,也是為了提高醫療器械的安全性和有效性,防止使用中因受到電磁干擾或產生電磁騷擾,使自身或者其他醫療設備失控、失效從而對患者、使用者產生不可接受的傷害。
1.4電磁兼容測試項目
醫療器械涉及的電磁兼容性標準包括 :
針對醫用電氣設備和系統的YY0505-2012《醫用電氣設備第1-2部分:安全通用要求并列標準:電磁兼容要求和試驗》;
針對檢驗診斷類醫用電氣設備的GB/T18268.1-2010《測量、控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第1部分:通用要求》和GB/T18268.26-2010《測量、控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第26部分:特殊要求體外診斷(IVD)醫療設備》;
以及已經發布實施的一些醫療器械國家標準和行業標準中對電磁兼容性的特別要求,這些特別要求或是標準的一部分,或是一個完全針對電磁兼容性的標準,如GB/T25102.13-2010《電聲學助聽器第13部分:電磁兼容 (EMC)》。
我們這里結合醫療器械行業標準YY0505-2012簡單介紹一下試驗項目,后續會單獨詳細介紹每一個測試項目:
YY0505-2012針對EMC規定中的電磁發射測試項目(4項)如下
電源端子傳導騷擾電壓(傳導騷擾 CE):GB4824、GB4343、GB17743;輻射騷擾(RE):GB4824、GB4343.1、GB17743;斷續騷擾(喀嚦聲):GB4824、GB4343.1;諧波電流發射:GB17625.1;電壓波動/閃爍發射:GB17625.2
輻射發射RE---通過空間以電磁波的形式發射電磁騷擾能量。
傳導發射CE(其中包括功率,喀嚦聲)---通過導線以電壓電流的形式發射電磁騷擾能量。
諧波(Harmonics) ---設備工作時向交流供電電源注入的50Hz高次諧波。
電壓波動和閃爍(Flicker) ---設備工作時引起的交流供電電壓的起伏波動。
YY0505-2012針對EMC規定中的電磁抗擾度測試項目如下:
靜電放電(ESD):GB/T17626.2
射頻輻射抗擾度(RS):GB/T17626.3
射頻傳導抗擾度(CS):GB/T17626.6
電快速瞬變脈沖群抗擾度(EFT):GB/T17626.4
工頻磁場:GB/T17626.8
浪涌抗擾度(Surge):GB/T17626.5
電壓暫降、短時中斷和電壓變化:GB/T17626.11
輻射抗擾度 RS---對空間騷擾電磁波的抗擾度。
傳導抗擾度CS---對導線傳導的騷擾電壓和電流的抗擾度。
靜電放電ESD---對靜電放電產生的脈沖騷擾的抗擾度。
電快速瞬變脈沖群EFT---對某些電路產生的群脈沖騷擾的抗擾度。騷擾從導線加入。
浪涌(surge)---對雷電或某些電路產生的脈沖騷擾的抗擾度。騷擾從導線加入。
電壓暫降、短時中斷和電壓變化(DIP)---對供電電源變化的抗擾度。
工頻磁場(PMS)---對50Hz交流電產生的強磁場的抗擾度
電磁兼容診斷(預)測試:
產品在研發階段、生產線上的質量控制測試、送權威實驗室檢測之前進行的預測試、送檢產品不合格后的整改測試。
通過預測試調查是否存在電磁兼容問題和產生的原因,確定產生騷擾和被干擾的具體部位,在采取抑制措施后有否改進,并不要求完全按標準在正規實驗室中進行。
電磁兼容一致性(符合性)測試:根據有關電磁兼容標準規定的方法對設備進行測試,評估其是否達到標準提出的要求。產品在定型和進人市場之前必須進行符合性(一致性)測試,國家產品強制認證制度(3C 認證)規定的電磁兼容測試就是屬于符合性測試。
二、電磁兼容標準
細究起來,電磁兼容標準制定工作已經有70年的歷史,最早是由國際無限電子干擾標準化特別委員會(CISPR)提出,后來世界各大組織及各國政府都相繼制定了許多的電磁兼容標準,目前國際上有權威性的電磁兼容標準和從事EMC標準制訂工作的專業委員會有:
國際電工委員會:IEC標準(TC77)
國際無線電干擾標準化特別委員會:CISPR標準
國際標準化組織:ISO標準
國際電信聯盟:ITU標準
歐共體:EN標準(CENELEC)和ETS標準(ETSI)
德國:VDE標準
美國:FCC標準和軍用標準MIL-STD
日本:VCCI標準
涉及電磁兼容的國際上標準化組織主要是國際電工委員會(IEC)。而其主要的組織為第77技術委員會(T77)和國際無線電干擾標準化特別委員會(CISPR)。
雖然這些標準制定組織不同,但大體內容是相似的,正所謂一通百通,嘿嘿,這些標準都在逐步走向國際統一而且有著統一的制定原則:保證測試結果的可重復性、一致性、精確性;科學、合理、實用、便于操作。
根據標準的不同地位和適用范圍,電磁兼容標準體系可分為基礎標準、通用標準、產品族(類)標準和產品專用標準四個等級。
2.1基礎標準
基礎標準僅對現象、環境、試驗方法、試驗儀器、EUT配置和試驗報告等給出定義及詳細描述,但不涉及具體產品。該類標準不會給出固定的限值和產品性能的直接判據,但它們卻是其它各級電磁兼容標準編寫的基礎。
例如:GB/T 17626.2《電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗》就是基礎標準,類似的還有GB4365《電磁兼容術語》、GB/T6113《無線電騷擾和抗擾度測量設備規范》及GB/T17626其他系列標準等。
2.2通用標準
通用標準以基礎標準為依據制定,規定了通用環境中的所有產品一系列最低的電磁兼容性要求(包括必須進行的試驗項目和必須達到的試驗要求),根據產品的屬性和使用情況規定了限值。
通用標準中提到的試驗項目和試驗方法可以在相應的基礎標準中找到,在通用標準中不會做具體介紹,通用標準給出的試驗環境、試驗要求、試驗項目可以作為產品族標準和產品專用標準的編制指南,同時對于尚未建立電磁兼容標準的產品,可以參考通用標準來提前進行一個電磁兼容預測試。
例如:
GB/T17799.3《電磁兼容 通用標準 居住、商業和輕工業環境中的發射》 GB/T17799.2《電磁兼容 通用標準工業環境中的抗擾度試驗》
2.3產品族標準
產品族標準也可以叫產品類標準,這是根據特定產品類別而制定的電磁兼容性能的測試標準。
產品族標準中規定的測試內容及限值與通用標準中的規定應保持一致,但不同之處在于,產品族標準可以根據產品的特殊性,在測試內容的選擇、限值及性能的判據方面有一定的特殊性和具體性,如提高限值或者增加測試項等。
產品族標準應該說是電磁兼容標準中內容最多的一類標準,例如:
GB17743《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》
GB4343《家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容要求 第1部分:發射》
GB9254《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》
GB4824《工業、科學和醫療(ism)射頻設備 騷擾特性 限值和測量方法》
這些標準每一個都分別代表一個大類產品對電磁騷擾發射限度的要求。
2.4產品專用標準
產品專用標準通常是將具體的條款包含在產品的通用技術條件中而不單獨形成電磁兼容標準。
產品專用標準對電磁兼容的要求一般與相應的產品族標準要求一樣,但考慮產品的具體特性后可增加試驗項目,與產品族標準相比,產品專用標準對電磁兼容要求更加明確也更加具體,而且增加了產品性能試驗的標準。
舉例說明
為了更好的幫助大家理解以上四個類型,我舉一個醫療行業具體例子:
基礎標準比如我上面提到的GB/T6113《無線電騷擾和抗擾度測量設備規范》 →通用標準YY 0505-2005 《醫用電氣設備第1-2部分:安全通用要求并列標準:電磁兼容要求和試驗》→產品族標準GB4824《工業、科學和醫療(ism)射頻設備 騷擾特性限值和測量方法》→產品專用標準GB9706.27《醫用電氣設備第2部分:輸液泵和輸液控制器安全專用要求》(在這個專標中對靜電、工頻磁場等都有不同于通標的要求值)
我們測試時選擇標準的順序是:產品專用標準→產品族標準→通用標準→基礎標準,但是并不是所有的產品都具備產品專用標準。
2.5試驗介紹及注意事項
我們已經知道EMC(電磁兼容)=4項EMI(電磁干擾)+7項EMS(電磁抗擾度)
在進行電磁兼容試驗時,經常會有意或者無意的遇到以下現象:設備試驗通不過時有人會將電纜換為屏蔽電纜,或者將輻射功率值調到最小,甚至將某個無關緊要的部件拆卸掉等等,這些操作無疑都說明試驗人員對電磁兼容試驗的目的理解不正確,許多人做實驗的目的就只是為了通過認證,導致他們在設備進行試驗時怎樣能通過就怎樣做,但這無疑是舍本逐末甚至會引發嚴重后果的行為,隨著監管的越來越嚴,部分省市已經將EMC納入飛檢的范圍之內,也已經有企業因EMC不符合要求而被飛停,我們應該認識到,隨著電子設備越來越集成化、精密化,設備所在的電磁環境也越來越復雜,而我們做電磁兼容試驗的目的也是確認產品在實際的電磁環境下能否正常工作,即不干擾其他設備,也不被其他設備所干擾。所以在進行試驗時我們應遵循以下幾個原則:
(1)確保受試設備(EUT)處在實際工作狀態,包括所連接的輔助設備、電纜種類及長度、是否接地、安裝狀態等。
(2)確保受試設備(EUT)處于“最嚴酷”狀態,或者說處在最敏感、最不利狀態,做騷擾試驗時,設備處在發射最強狀態。比如一個產品發射功率有10、20、30、40等,那么在測試時一定要將功率調節為40,而不能因為功率為10更容易通過試驗就設置功率為10。如果不確定“最嚴酷”狀態,可以適當改變試驗布局以期找到這一狀態點。
(3)使用最接近限值的數據,比如做輻射發射試驗時使天線處在接受最強輻射的高度和極化方向。
注意事項:
(1)EUT應根據實際使用情況在對干擾最敏感的工作模式下進行試驗。
(2)試驗時應將試驗配置、EUT工作方式及試驗布局情況明確記錄下來,以便必要時能夠復現或者對比試驗結果。
(3)如果EUT用戶手冊規定需要外部保護裝置,那么在試驗時也應使EUT帶保護進行。
(4)如果EUT有多個端口或線纜,那么試驗應選擇足夠多的端口或電纜來試驗,并盡可能覆蓋到不同類型的端口或線纜來試驗,并將選用情況記錄在案。
最后說一下抗擾度標準的性能判據:
通用標準中的性能判據:
(1)判據A:EUT在試驗中和試驗后都能正常工作,無性能下降和制造商所規定的性能等級現象發生;
(2)判據B:EUT在試驗后可以正常工作,無性能下降和制造商所規定的性能等級現象發生;
(3)判據C:允許EUT有暫時的性能降低,只要這種功能能夠通過控制操作、復位或者關機等操作后恢復的。
判據A要求最高,判據C要求最低,對于具體是否合格的判定,通用標準不直接給出,而是由產品專用標準或者制造商給出。
基礎標準中的性能判據:
(1)在制造商、委托方或購買方規定的限值內性能正常;
(2)功能或性能暫時降低或喪失,但在騷擾停止后能自行恢復,不需要操作者干預;
(3)功能或性能暫時降低或喪失,需要操作者干預才能恢復;
(4)因設備硬件或軟件損壞,或數據丟失而造成不能恢復的功能喪失或性能降低。
一般騷擾引起問題的也都是硬件問題,軟件多數情況下不會因環境改變而出現問題。
附:常見的幾類電磁兼容標準
醫療設備電磁兼容主要依據標準
CISPR 11/EN 55011/GB 4824:《工業、科學和醫療(ISM)射頻設備電磁騷擾特性限值和測量方法》
IEC 60601-1-2/YY 0505:《醫用電氣設備第1-2部分:安全通用要求 并列標準:電磁兼容要求和試驗》
IEC 61326-1/GB T18268.1:《測量、控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第1部分:通用要求》
IEC 61326-2-6/GB T18268.26:《測量、控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第26部分:特殊要求體外診斷(IVD)設備》
IEC 61000-3-2/GB 17625.1:《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》
IEC 61000-3-3/GB 17625.2:《電磁兼容限值對每相額定電流≤16A且無條件接入的設備在公用低壓供電系統中產生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》
家用電器電磁兼容主要依據標準
CISPR 14-1/GB 4343.1:《家用電氣、電動工具和類似器具的電磁兼容要求第1部分:發射》
CISPR 14-2/GB 4343.2:《家用電氣、電動工具和類似器具的電磁兼容要求第2部分:抗擾度》
IEC 61000-3-2/GB 17625.1:《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)》
IEC 61000-3-3/GB 17625.2:《電磁兼容限值對每相額定電流≤16A且無條件接入的設備在公用低壓供電系統中產生的電壓變化、電壓波動和閃爍的限制》
通信設備電磁兼容主要依據標準
CISPR 22/EN 55022/GB 9254:《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》
CISPR 24/GB/T 17618:《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》
低壓電器電磁兼容主要依據標準
CISPR11/GB 4824:《工業、科學和醫療(ISM)射頻設備電磁騷擾特性限值和測量方法》
IEC 60947-1/GB 10408.1:《低壓開關設備和控制設備 第1部分:總則》
IEC 60947-2/GB 10408.2:《低壓開關設備和控制設備 第2部分:斷路器》
IEC 60947-3/GB 10408.3:《低壓開關設備和控制設備 第3部分:開關、隔離器、隔離開關、以及熔斷器組合電器》
IEC 60947-4/GB 10408.4:《低壓開關設備和控制設備 第4-1部分:接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》
IEC 60947-5/GB 10408.5:《低壓開關設備和控制設備 第5-1部分:控制電路電器和開關元件機電式控制電路電器》
IEC 60947-6/GB 10408.6:《低壓開關設備和控制設備 第4-2部分:接觸器和電動機起動器交流半導體電動機控制器和起動器(含軟起動器)》
IEC 60947-10/GB 10408.10:《低壓開關設備和控制設備 第5-2部分:控制電路電器和開關元件接近開關》
三、輻射發射(輻射騷擾)試驗
輻射發射(RE)測試是EMC的重要測試項之一,也是問題較多、較不容易通過的項目。不同類型的設備進行輻射發射測試時都需選取相應的產品標準,按照不同的設備等級和分類,來確定被測試設備(EUT)的測量限值和測試需求。該部分文章主要從定義、試驗目的、試驗設備、試驗方法、試驗配置等方面展開,后面也會結合具體例子說明。
3.1定義
輻射:輻射是能量以電磁波形式由源發射到空間的現象。雖然我們看不到摸不著,但就像空氣一樣,我們知道它是切實存在的,比如我們日常生活中經常說的手機輻射、電腦輻射等。
輻射發射:輻射發射指電子、電氣產品或系統由其內部電路工作時向其周圍空間發射的電磁波。這個發射是通過空氣作為傳播路徑而不是導線(包括信號線和電源線),既然稱之為發射,那么肯定相對而言在其周圍空間就有接收物體或設備存在。輻射的能量如果被其他醫用電子設備接收,則可能產生設 備的誤操作,進而影響其他設備的工作。
3.2試驗目的
輻射發射(RE)試驗主要測試電子、電氣設備或系統在正常工作時自身對外界的輻射干擾強度,包括來自電路板、機箱、電纜及連接線等所有部件的輻射騷擾。通過將試驗測量值與限值比較來判斷EUT的輻射發射是否合格,測量值低于限值則PASS,反之則FAIL。大體來講有三種情況:試驗結果良好,即試驗數據距限值裕量大;試驗結果一般,即試驗數據距離限值裕量小;試驗結果超標,即限值無裕量。
一般來講,結果越好相應的成本就越高,但這并不是一個企業老板想要的,因為沒有利潤最大化,很多國外的產品基本就是卡線過剛好有一點點裕量,而國內的話要么很差(設計開發可能并未考慮,還有試驗數據幾乎跳出示波器屏幕的驚人情況),要么就是很好,當然能做到卡線過有一部分是靠運氣,但更多的應該是水平,通過總結以往經驗和對比常用的整改方法,選擇相對成本最低的又能滿足標準要求的方式,值得學習!
Tip:不同類型的產品可能有不同的限值,要結合我們上一篇講述的產品專用標準或產品類標準來查找確定哦~,,簡單的電動機驅動的設備或系統引用GB4343.1,以照明為主要功能的設備或系統引用GB17743,信息技術類的設備或系統引用GB9254,除上述的其他設備或系統引用GB4824。
3.3試驗設備及必備條件
測量接收機:測量接收機是EMI測試中最常用的基本測試儀器,儀器類型包括準峰值測量接收機、峰值測量接收機、平均值測量接收機和均方根值測量接收機。YY0505要求測量接收機測試范圍覆蓋30MHz—18GHz,具備PK(峰值)、QP(準峰值)、AV(平均值)檢波器,測量接收機的幾個重要指標分別是:6dB處的帶寬、充電時間常數、放電時間常數、臨界阻尼指示器的機械時間常數、過載系數。GB/T6113.1規定了頻率段范圍:
A頻段——9~150kHz;
B頻段——0.15~30MHz;
C頻段——30~300MHz;
D頻段——300~1000MHz;
E頻段------1GHz以上
劃重點:頻段范圍一定要記著,以后會到處用的到!
對于準峰值測量接收機(包含測試控制系統和計算機軟件),要求特性如下
在準峰值測量時,如果想要在某個頻率點得到比較穩定的測量值,則測量時間應大于檢波器充放電時間和電表機械時間常數之和,并且測量不止一個周期,所以一般準峰值測量時間要求比較長,在實際測量中,往往先用峰值進行全頻段測量,然后再對接近或超過限值的頻率點進行準峰值測量,這么做可以大大節省測量時間。
天線
天線是輻射發射試驗的接收裝置,由于輻射發射試驗頻率范圍覆蓋30MHz—18GHz,所以相應的在不同頻率范圍段有不同的天線相匹配,例如:
在30MHz-230MHz頻段常常采用偶極子與雙錐天線:
230MHz-1GHz頻段常采用對數周期、偶極子及對數螺旋天線:
還有一些其他的天線比如對數天線、喇叭天線等都可適當應用
關于天線的知識,由于種類太多,而且參數專業性知識比較強,想要了解更多的可以自己查找一些資料~
電波暗室
電波暗室,是主要用于模擬開闊場,同時用于輻射無線電騷擾(EMI)和輻射敏感度(EMS)測量的密閉屏蔽室。電波暗室的尺寸和射頻吸波材料的選用主要由受試設備(EUT)的外行尺寸和測試要求確定,常見的有3m法或10m法。
10m法參考配置:典型屏蔽內尺寸:21m(長)×12m(寬)×9m(高)。
3m法參考配置:典型屏蔽內尺寸:9m(長)×6m(寬)×6m(高)。
一般當3米法的測試結果和10米法的測試數據不一致時,以10米法的為準,當兩個10米法的實驗室數據結果有沖突時可以選擇開闊場來進行仲裁,但是目前國內開闊場應該只有4個(不對的話歡迎糾正);
電波暗室可以由開闊場地替代:開闊場地至少應該在橢圓范圍內沒有任何可能反射電磁波的物體。使用開闊場地試驗的話,EUT和天線放置于橢圓的兩個焦點上,測量接收機則放在橢圓外。測試桌天線架都應是非金屬的;地面應鋪設金屬板或金屬柵網,板或網的連接處不應有電不連續點,孔、縫直徑小于0.1λ,λ為擬測試的最高頻率的波長,對于頻率為1GHz,孔、縫直徑應小于30mm;開闊場地的環境噪聲越小越好,至少應比標準規定的EUT的騷擾限值低6dB。
3.4試驗方法及配置
試驗布置圖如下
EUT發出的電磁波將在各個金屬面上發生發射和多次反射,故測試天線接受到的場強是直達波和反射波的矢量和,因此天線或者EUT的位置稍有變化,測試結果就會有很大不同,也因此在RE測試中,天線的高度、天線的極化方向以及轉臺的角度都要不斷改變,以期檢測到設備輻射的最大點。
測試要素:
場地:開闊場地或半電波暗室;
木桌:0.8米高;
轉臺:可360度旋轉;
天線:選擇合適類型,且在1~4米移動,并進行垂直極化和水平極化測試;
寬帶天線、同軸電纜、騷擾測量儀組成50Ω匹配傳輸系統;
測試接收機:準峰值讀值,峰值測量;
EUT:處于最敏感狀態
曾經我有個困惑,天線為什么要上下移動呢?那我們知道由于EUT的結構,大小等的原因,天線并不能在固定的某一個高度就能接收到所有的EUT的發射最大值,上下掃描,總會探測到一個發射功率最大值,同時轉動角度,可以獲取到試驗的最大值。那么為什么一定要在1m-4m之間而不是1m-5m或者其他的范圍呢?當接收天線在1-4m移動時,接收到的場強以駐波形式變化,波峰波谷的高度差約為λ/4,那么為了保證在30MHz時也能找到最大場強,我們可以計算下此時λ=3*10^8/30MHz=10m,λ/4=2.5m,由于桌子本身高0.8m,所以下限設為1m,而上限則為0.8+2.5=3.3m,考慮到天線自身高度,故范圍為1-4m(當然以上為個人觀點僅供參考)。
天線的阻抗、同軸電纜的阻抗和干擾測量儀的輸入阻抗都應相等,阻抗不匹配將引起反射,形成駐波,影響讀數準確性。水平和垂直兩種狀態都要測量,垂直放置時天線的最低端離地應大于25cm,以免影響天線的性能,采用頻譜分析儀設在最大保持方式和對數dB顯示方式。
3.5舉例
還是以醫療器械某設備為例
3.5.1 設備的分組
1組:本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備。
2組:為材料處理而有意產生和(或)使用電磁輻射射頻能量的所有工科醫設備。
大多數類型的設備和系統僅為其內部功能需要而產生或使用RF能量,因此屬于1組,如心電圖和心磁圖設備和系統,腦電圖和腦磁圖設備和系統等,另外一些預期以非RF電磁形式傳遞能量給患者的設備和系統也屬于1組設備,如醫療成像設備和系統——X射線診斷系統、CT系統、超聲診斷系統等;治療設備和系統——超聲治療系統,輸液泵、呼吸機等;只有少數系統和設備是施加RF能量給材料(患者)的,屬于2組設備,常見的有磁共振成像系統、透熱療法設備、熱療設備和高頻手術系統等。
3.5.2 設備的分類
A類:非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
B類:家用和直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
3.5.3 結合廣州所檢驗某輸注泵類產品報告來學習,首先是試驗日期、溫濕度、大氣壓力等環境因素填寫,確保電磁環境和氣候環境滿足試驗要求
其次試驗依據YY0505、GB4824-2013,按照我上面所講設備分組分類,劃分為1組(本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備)A類(非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備),
試驗場地選擇在10m法半電波暗室進行,GB4824-2013規定
輸注泵類產品為1組A類設備且輸入功率<20kVA,由6.2.2.2可知在9kHz—150kHz時無適用限值,即不進行此頻段測試;由表4我們可知在30MHz—230MHz準峰值限值為40dB(μV/m),在230MHz—1000MHz準峰值限值為47dB(μV/m)。
由上圖及測試表格可知不同天線極性、高度以及不同轉臺角度和發射頻率時測量值都在限值范圍內,想想我們開始講的測量值低于限值則PASS,反之則FAIL,故該產品輻射發射測試合格。
廣州所是如何布置試驗的呢:
連接圖如下:
對于不同產品,測試標準和布置以及限值要求可能會不同,具體還是要查閱對應標準。
輻射發射常見檢測依據:
機車車輛設備電磁兼容要求GB/T 24338.4-2009,IEC 62236-3-2:2003;
軌道交通信號和通信設備的發射與抗擾度GB/T24338.5-2009,IEC 62236-4:2003;
地面供電裝置和設備的發射與抗擾度GB/T 24338.6-2009,IEC 62236-5:2003;
機車車輛電子裝置GB/T 25119-2010,IEC 60571:2006;
居住商業和輕工業環境中的發射 GB17799.3-2012,IEC 61000-6-3:2011;
工業環境中的發射 GB17799.4-2012,IEC 61000-6-4:2011;
信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法 GB/T 9254-2008,CISPR22:2006;
家用電器電動工具和類似器具的電磁兼容要求第1部分:發射 GB4343.1-2009,CISPR 14-1:2005;
測量控制和實驗室用的電設備電磁兼容性要求第1部分:通用要求 GB/T 18268.1-2010,IEC 61326-1:2005;
工業科學和醫療(ISM)射頻設備騷擾特性限值和測量方法GB4824-2013,IEC CISPR 11:2010;
可編程序控制器設備要求和測試GB/T15969.2-2008,IEC 61131-2:2007;
計算機通用規范第1部分:臺式微型計算機 GB/T 9813.1-2016;
量度繼電器和保護裝置第26部分:電磁兼容要求GB/T14598.26-2015,IEC 60255-26:2013。
四、何為分貝
鑒于上面有跟大家說到要介紹什么是dB,那么我們就先來看一看dB(分貝)到底是何方神圣?
4.1眾人眼中的分貝
小賈說:“分貝……好像是形容聲音大小的吧,反正是某個單位。”
“對對對!我前幾天剛測了噪音,就是用分貝來衡量的,額,不對,后面好像還有個括號dB(A)…”同事小偉迷茫了。
“不對吧?我記得測量接收機的測量值也是用分貝來表示的,那個應該不是指聲音”小黃接話道。
其實,他們說的都對又都不對,分貝并不僅僅是一個單位,更是描述某比值時的一種對數表達方式。
4.2分貝的來龍去脈
知道貝爾嗎?哪個貝爾?…沒錯,就是發明了電話的那個,
貝爾先生雖以發明電話著稱于世,但也是他,發現我們人類耳朵對聲音強度的反應是成對數形式,大致意思就是當聲音的強度上升到某一限值時,人的聽覺會變的相對鈍化,這就使得可以用對數的單位來表示人耳的特性,世人為了紀念這一杰出發現而命名為Bell(貝爾)。
然而,在后續的實際應用中由于Bell(貝爾)這一單位在描述時有些略大,就比如我們的單位KV(實際生活中接觸到的電壓大部分都為伏級),所以就產生了更小的十分之一級的單位:decibel(分貝)。英語中deci 是十分之一的意思,將deci + bel結合即成decibel。而這又可以簡寫為dB。
注意:dB前面的“d”是小寫,而后面的“B” 是為了表示對貝爾的紀念和尊重應大寫。
4.3如何定義分貝?
聲學方面:我們知道,聲音本質上也是一種波。聲音通過空氣傳播,通過空氣分子的振動傳到了我們耳朵里,繼而引發人耳鼓膜的振動,這樣我們才得以聽到聲音。所以,聲音的大小,其實反映的是聲波振動的強度。
由于空氣振動會引起大氣壓強的變化,所以確切地說,我們應該用壓強變化的程度來描述一個聲音的大小,這就是聲壓(SPL,Sound Pressure Levels)的概念,它的單位是Pa(帕斯卡)。
比如:我們日常談話的聲音大約是2*10^-2 Pa;酒吧的聲音約為2Pa,
細心地你就會發現兩者竟然相差百倍之多,但我們似乎感覺差別并沒有百倍這么巨大。所以用聲壓來描述聲音強度雖然表述更為準確,但卻與我們的日常感覺存在不小的出入。因此我們聲學也引入分貝作為聲壓的測量量,這就是我們常見的dB(SPL)的由來。
分貝是如下定義的:設定某一聲壓值為“標準值”(0分貝),標準值換算為我們上述所說的聲壓是2×10^-5 Pa(20μPa),這也是人耳在1000Hz這個頻率下能聽到的最小的聲音,說形象點大致相當于3米外的一只蚊子在飛。我們將這個值看做是參考值(Vref),給定其他任何一個聲音,將這個聲音的值除以標準值,然后對結果取以10為底的對數,再乘以20,這樣得到的結果就是給定聲音的分貝。寫成公式就是:
說了這么多干枯的概念,還是舉個例子讓大家更直觀地感受一下:
比如對于上面的兩個例子,大家可以依據公式進行簡單計算下,那么日常談話聲音換算過來就是60分貝,酒吧的聲音是100分貝,這樣不僅方便計算,而且比較符合一般人的聽覺感受。
事實上,很多人聽不到上述“標準值”的聲音。根據世界衛生組織的定義,如果一個人能聽到的最小聲音在25分貝以下,就屬于正常聽力。
日常生活中的聲音:
總結一下:
通過上面對“分貝”的描述,我們會發現:
1.“分貝”并不反映聲音的絕對響度,它是以某一個聲音為基準,描述聲音響度的相對關系。科學一點說,它把一個指數增長的物理量轉換成了線性增長的物理量,便于計算。
2.“0分貝”并不代表“沒有聲音”,它只是一般認為人類能聽到的最小聲音而已。完全有可能有比0分貝還弱的聲音(比如4米外的一只蚊子),那就是負分貝了。
3.上面提到的2×10^-5 Pa,是用于計算“在空氣或其它氣體中傳播的聲音”時使用的標準值。當計算通過水等液體介質傳播的聲音時,就要采用不同的標準值(水為1×10^-6 Pa即1μPa)。這意味著,如果有同樣分貝的空氣中的聲音和水下的聲音,它們各自代表的聲壓強度是不一樣的哦。
4.4 dB在EMC測試中的應用
這才是重中之重,還記得嗎?我們上篇文章有提到測量接收機也會以dB來顯示測試結果,那么我們為什么在EMC測試中要用dB呢?采用dB來表示又有什么優點呢?
聲音的“分貝”概念我想大家都已經了解,給定聲音的值除以參考值,然后對結果取以10為底的對數,再乘以20得到的即為聲音的分貝。功率公式會有點小不同:聲波也可以看做是一種能量,它的功率(P)比是聲壓(p)比的平方。即功率10*log(P2/P1)=10*log(p22/p12)=20*log(p2/p1),也即功率分貝是聲壓分貝的兩倍。
例如:甲功率比乙功率大一倍,那么以乙的功率為基準值,甲的功率分貝為10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是說,甲的功率比乙的功率大3 dB。
那么同樣地,“分貝”作為EMC測試的一個計量單位也是一個表征相對值的量:測量物理量除以參考量,然后對比值取以10為底的對數,再乘以20。
而這意味著采用“分貝”可以使物理量之間較復雜的乘除及方冪運算轉換為對數之間簡單的加減運算,因為對數的存在,哪怕兩個功率之間存在較大的數量級差異,它們的分貝差也只是很小的數字。比如:當P2=1000000000P1時,兩者分貝只差90dB而已,因此,“分貝”還具有壓縮數據的特點,可提高測量計算的精確性,基于此,我們在EMC測試中也常以“分貝”來作為計量單位。
了解了以上后我們再來看看電磁兼容測試中常見的參考量以及與測量值“分貝”的換算關系:
1.dBm
dBm即dB毫瓦,是用分貝來表示功率的一種方式,也叫作功率電平。
dBm=10*log(P/0.001(W)),P為所測功率值瓦(W)。如:1mW=10*log(0.001W/0.001W)=0dBm, 10mW=10*log(0.01W/0.001W)=10dBm。
2.dBμV
dBμV即dB微伏,是用分貝來表示電壓的一種方式,也叫電壓電平。
dBμV=20*log(U/1(μV)),U代表需要測量的絕對電壓值,單位為伏(V)。如:
1μV=20*log(1μV/1(μV))=0 dBμV。
3.dBW
dBW=10*log(P/1(W)),dBW = dBm–30
4.5 dB的計算公式
1.電壓(電流)放大倍數分貝數定義:K=20lg(Vo/Vi),其中K為放大倍數的分貝數,Vo為信號輸出值,Vi為信號輸入值;
2.功率放大倍數分貝數定義:K=10lg(Po/Pi),其中K為放大倍數的分貝數,Po為放大信號功率輸出,Pi為信號功率輸入;
3.對于放大器:輸出與輸入的比值即為放大倍數,當改用“分貝”做單位時,放大倍數就稱之為增益,所以以后在看到“增益”時,我們知道這是說放大倍數的意思,只是一個概念的兩種不同叫法而已。
增益為0dB時,無放大;增益為1dB時,實際放大倍數約為1.1;增益為2dB時,實際放大倍數約為1.25;增益為3dB時,實際放大倍數約為1.4;增益為6dB時,實際放大倍數約為2;……
放大倍數(*倍) | 增益dB(電壓/電流) | 增益dB(功率) |
1 | 0 | 0 |
2 | 6 | 3 |
3 | 9.5 | 4.8 |
4 | 12 | 6 |
5 | 14 | 7 |
6 | 15.6 | 7.8 |
7 | 16.9 | 8.9 |
8 | 18.1 | 9 |
9 | 19.1 | 9.5 |
10 | 20 | 10 |
11 | 20.8 | 10.4 |
12 | 21.6 | 10.8 |
13 | 22.3 | 11.1 |
14 | 22.9 | 11.5 |
15 | 23.5 | 11.8 |
16 | 24.1 | 12 |
17 | 24.6 | 12.3 |
18 | 25.1 | 12.6 |
19 | 25.6 | 12.8 |
20 | 26 | 13 |
21 | 26.4 | 13.2 |
22 | 26.8 | 13.4 |
23 | 27.2 | 13.6 |
24 | 27.6 | 13.8 |
25 | 28 | 14 |
26 | 28.3 | 14.1 |
27 | 28.6 | 14.3 |
28 | 28.9 | 14.5 |
29 | 29.2 | 14.6 |
30 | 29.5 | 14.8 |
31 | 29.8 | 14.9 |
32 | 30.1 | 15.1 |
33 | 30.4 | 15.2 |
34 | 30.6 | 15.3 |
35 | 30.9 | 15.4 |
36 | 31.1 | 15.6 |
37 | 31.4 | 15.7 |
38 | 31.6 | 15.8 |
39 | 31.8 | 15.9 |
40 | 32 | 16 |
1-40倍放大對應的電壓/電流、功率增益表(dB)
物理量 | 參考量 | 相應的分貝量 | 分貝量的名稱 | 測量值分貝數計算公式 |
電壓 | 1μV | 0 dBμV | 微伏分貝 | dBμV=20lg(測量值/1μV) |
電流 | 1μA | 0 dBμA | 微安分貝 | dBμA=20lg(測量值/1μA) |
電場強度 | 1μV/m | 0 dBμV/m | 微伏每米分貝 | dBμV/m=20lg(測量值/1μV/m) |
磁場強度 | 1μA/m | 0 dBμA/m | 微安每米分貝 | dBμA/m=20lg(測量值/1μA/m) |
輻射功率 | 1pW | 0 dBpW | 皮瓦分貝 | dBpW=10lg(測量值/1pW) |
關于-3dB
上面我們看到的都是正值,那么什么是-3dB呢?為什么又要特別說明一下這個數值呢?
測量值如果大于參考值,那么得到的增益為正數字,反過來如果測量值小于參考值,得到的增益自然就為負數,-3dB也叫半功率點或截止頻率點。隨著輸入頻率上升,放大電路的電壓放大倍數將下降,當電壓幅度降至最大值的0.707倍時的位置,為截止頻率。這時功率值恰好是最大功率的一半所以又稱為是半功率點。而用分貝表示正好下降了3dB。
如圖:假設f0為1kHz,則對應的Bandwidth范圍fL~ fH為0.707kHz~1.414kHz.
根據電壓幅度計算:20log(0.707)=-3dB ,根據功率計算:10log(0.5)=-3dB,對應的頻率稱為上截止頻率,我們常說的-3dB帶寬也就是指電壓下降到幅值的0.707倍或功率下降到一半時對應的頻帶寬度。
(2)dBmV、dBµV與dBm的換算
我們已經知道:
dBμV=20lg(測量電壓/1μV) ---(1)
dBmV=20lg(測量電壓/1mV) ---(2)
dBm=10lg(測量功率/1mW) ---(3)
由 測量功率=測量電壓^2/阻抗 ---(4)
可知:
測量功率*阻抗=測量電壓^2 ---(5)
將(5)式代入(3)式可得:
測量功率=(10^(dBm/10))/10^3 ---(6)
由(2)式可知:
測量電壓=(10^(dBmV/20))/10^3 ---(7)
將(6)、(7)式代入(4)式可得:
dBmV=10lg(阻抗*1000)+dBm ---(8)
當阻抗值取50Ω時:
dBmV=46.9897+dBm50Ω ---(9)
當阻抗值取75Ω時:
dBmV=48.7506+dBm75Ω ---(10)
同理可以得到 dBµV 到dBmV 之間的關系如下,
dBμV=20lg(1000)+dBmV=60+dBmV ---(11)
好了公式就總結完了,沒記住?沒關系!這些公式大家以后都會經常使用的,用到時記得過來查閱就好了,Practice makes perfect!
舉個例子鞏固一下:
例如:有一個50歐的功率放大器,其輸出功率為50dbm,求其輸出電平(以μV為單位)?
答:由公式(9)可知,輸出電平=47+50=97dBmV;再由公式(11)可知,
輸出電平=97+60=157dbμV。
附表1和附表2分別顯示了在阻抗為50Ω和75Ω的條件下,dBmV, dBµV 和dBm之間的換算關系。
附表1:50Ω阻抗下的功率換算
附表2:75Ω阻抗下的功率換算
五、傳導發射(傳導騷擾)試驗
通過前面的學習我們已經對EMC概念有了一個初步的認識而且了解了“分貝”以及RE測試,接下來要跟大家分享的也是四個EMI測試項之一:傳導發射(CE)
5.1定義
傳導發射(Conducted Emission),簡稱CE,也被稱為傳導騷擾,是指電子、電氣設備或系統內部的電壓或電流通過信號線、電源線或地線傳輸出去而成為其他電子、電氣設備或系統干擾源的一種電磁現象。幾乎所有具備電源線的產品都會涉及到傳導發射測試。其測試的實質也是測試50Ω阻抗兩端的電壓,大量實踐表明,大部分的電源端口傳導發射問題產生于共模電流。傳導發射通常用騷擾電壓或騷擾電流的限值來表示,主要測量頻率在150KHz到30MHz的范圍。
5.2試驗目的
傳導發射(CE)測試主要測試電子、電氣設備或系統在正常工作時自身的電壓電流通過信號線、電源線或地線傳輸出去而對其他設備造成的干擾強度,測試這些騷擾量是否超過標準要求的界限值。與輻射發射類似,通過將試驗測量值與限值比較來判斷EUT的傳導發射是否合格,測量值低于限值則PASS,反之則FAIL,以此保證在公共電網上工作的其他設備免受干擾。
Tip:不同類型的產品可能有不同的限值,具體數值要結合我們講過的產品專用標準或產品類標準來查找確定哦~
5.3試驗設備及必備條件
5.3.1測量接收機
上面我們已經講過測量接收機,一起回顧一下,測量接收機是EMI測試中最常用的基本測試儀器,儀器類型包括準峰值測量接收機、峰值測量接收機、平均值測量接收機和均方根值測量接收機。測量接收機的幾個重要指標分別是:6dB處的帶寬、充電時間常數、放電時間常數、臨界阻尼指示器的機械時間常數、過載系數。
5.3.2人工電源網絡(AMN)或線性阻抗穩定網絡(LISN)
線性阻抗穩定網絡LISN(Line Impedance Stabilization Network)也叫做人工電源網絡AMN(Artificial MainsNetwork),LISN是一種耦合去耦電路,
主要有以下作用:
a)將EUT與電網隔離開來,為EUT提供純凈的交流或直流電源;
b)通過耦合電容把EUT的騷擾信號耦合至測量接收機進行測量,使EUT的騷擾信號不會反饋到電源端;
c)提供規定的阻抗(一般為50Ω)。
對于低頻信號,LISN的電感表現為低阻抗,電容表現為高阻抗,所以信號經過LISN基本不衰減,電源可以經LISN輸送到開關型變換器;而對于高頻信號,LISN的電感表現為高阻抗,電容可以視為短路,所以LISN阻止了高頻噪聲在EUT和電網之間的傳送。連接測量接收機時,儀器內部標準阻抗為50Ω,共模和差模干擾電流將從該50Ω阻抗上流過,此時,LISN起到了為共模和差模干擾電流在所需測量的頻段提供了一個固定阻抗(50Ω)的作用,而50Ω電阻上的電壓就是傳導騷擾電壓。
EUT產生的干擾電流包括兩種模態:差模電流從火線流出到中線,共模電流經過火線和中線到地線;因此,火線和中線中的差模信號的幅值相同,相位相反,而共模信號是幅值和相位都相同。在總的傳導干擾信號中,設備中的共模和差模噪聲具備不同的特性,濾波器的設計方法也由此各不相同,必須被分別抑制。然而這個線性阻抗穩定網絡只能測量電源線上總的傳導干擾,并不能測出其中的共模和差模分量。因此,在實際的傳導發射測試中,依具體的測試結果及顯示要求的不同,可以對這個基礎的線性阻抗穩定網絡進行處理,得到改進的線性阻抗穩定網絡。
另外使用LISN測量傳導干擾需特別注意過載問題,EUT因開關或瞬時斷電會引起瞬態尖峰,其幅度遠遠超過接收機的電壓測量范圍,很容易損壞接收設備,由于測試接收機的價格不菲,因此需在接收設備前端加過載保護衰減器,并且最好在EUT通電、調試好之后再接上測試設備。
使用LISN測量尖峰干擾信號時,因為尖峰干擾電壓的幅度較大,如AC220V電源線的開關動作產生的瞬態電壓尖峰可能達到近400V。而尖峰信號通常在開關、繼電器閉合瞬間出現,屬于瞬態干擾,故測量過程中要不斷做開關動作,通過具有一定帶寬的帶存儲功能的示波器捕捉和測量,使其最大值與規定限值進行比較。
標準中規定A頻段 (9~150kHz) 和B頻段 (150k~30MHz) 分別使用50?|50μH+5? 和 50?|50μH兩種V型網絡。
LISN的主要指標包括:頻率范圍;阻抗;分壓系數;相角;隔離度等。
ENV216的特點:
a)頻率范圍:9kHz~30MHz
b)最大恒定電流16A
c)模擬阻抗(50μH+5Ω)||50Ω滿足CISPR16-1-2Amd.2:2006.
d)V型網絡滿足CISPR,EN,VDE,ANSI,FCCPart15和MIL-STD-461D,E和F
e)標準滿足CISPR16-1-2和ANSIC63.4
ENV216的優點:
a)ENV216基于空心電感線圈設計,包含人工模擬手;
b)使用150kHz高通濾波器,可避免由于低頻高電平引起的測量接收機過載;
c)不論接收機輸入衰減大小,為了保證標準阻抗,ENV216內置10dB衰減器;
d)內置脈沖限幅器,保護接收機輸入;
e)由控制器和R&S測量接收機產生的輸入由TTL電平控制。
5.3.3電流探頭
電流探頭的應用十分廣泛,主要是利用流經導體的電流會在周圍產生磁場,該磁場會被另一線圈感應這一互感原理制造的,電流探頭把磁場轉化成相應的電壓信號,和示波器配合,通過電流探頭轉換系數將接收到的電壓轉換為電流,即可得到不同頻率上干擾電流的幅度值。計算公式如下:
I=U+ F
式中:I為干擾電流,單位為dBuA;U為端口電壓,單位為dBuV;F為電流探頭轉換系數,單位為dB/Ω。
電流探頭分成AC電流探頭和AC/DC 電流探頭,AC 電流探頭常見的是無源探頭,成本低,但不能處理直流分量;AC/DC 電流探頭通常是有源探頭,分為低頻探頭和高頻探頭,低頻探頭常見的帶寬在幾百KHZ 以下,高頻探頭帶寬一般在幾MHZ 以上。
電流探頭重要指標主要有以下幾類,購買時也可參考:
a)精度:是指電流到電壓轉換的精度。拿 AC/DC 電流嵌為例,一般開環系統的精度比較差一點,典型值在3%左右;閉環系統的精度比較高,典型值在1%左右。
b)帶寬:所有探頭都有帶寬。探頭的帶寬是指探頭響應導致輸出幅度下降到70.7%(-3dB)的頻率,關于-3dB我們上一篇剛剛介紹過哦。
為精確地測量上升時間和下降時間,我們使用的測量系統必需使用擁有充足帶寬的探頭,可以保持構成波形上升時間和下降時間的高頻率成份。比如使用測量系統的上升時間時,系統的上升時間一般應該比要測量的上升時間快4-5倍。
補充知識:在幅度測量中,隨著正弦波頻率接近帶寬極限,正弦波的幅度會變得日益衰減。在帶寬極限上,正弦波的幅度會作為實際幅度的70.7% 進行測量。因此,為實現最大的幅度測量精度,必需選擇帶寬比計劃測量的最高頻率波形高幾倍的示波器和探頭。這同樣適用于測量波形上升時間和下降時間。波形轉換沿(如脈沖和方形波邊沿)是由高頻成分組成的。帶寬極限使這些高頻成分發生衰減,導致顯示的轉換慢于實際轉換速度。
c)插入損耗:插入阻抗是從電流探頭的線圈(二級)轉換到被測的攜帶電流的導線中的阻抗。插入損耗是指在發射機和接收機之間,引入其他器件導致的信號衰減量,通常用dB單位表示。插入損耗的表達公式如下:
插入損耗(Insertion Loss)= 20lg(Ur/Ut)
Ut為發射信號,Ur為接收信號。
5.3.4電壓探頭
在不能使用LISN時會考慮使用電壓探頭,電壓探頭主要由隔直流電容器和一個電阻器組成,使線路和地之間的阻抗至少為1.5kΩ。且應保證電容器或其他任何保護測量接收機抵御危險電流的裝置對測量結果的影響小于1dB。
5.3.5屏蔽室
屏蔽室是專門設計的對射頻能量起到衰減作用的封閉房間,屏蔽室可以提供符合試驗要求的電磁環境,暫時可以先這么理解,后面也會用具體篇章來詳細介紹屏蔽室。
5.3.6模擬手(選用)
為了模擬使用者手的感應,當手持式設備進行電源端子騷擾電壓測量時,需要用到模擬手,非手持式設備無需用到。
模擬手是一個規定尺寸的金屬箔(帶),它按規定的方式放在或纏繞在設備上通常被使用者接觸的部分,一般采用銅箔,厚度為0.05mm,寬度為60mm,長度為150mm-200mm,金屬箔按照規定的方式借助一個RC組件連到測量系統的參考點,該組件由一個個C=220pF±20%的電容串聯一個510Ω±10%的電阻組成,模擬人體的RF阻抗。
使用模擬手的一般原則是:無論手柄是固定的還是可拆卸的,金屬箔應包裹EUT所有的手柄(每個手柄使用一個金屬箔)。
當EUT罩殼全部為金屬時,不需要金屬箔,RC單元的M端直接接到設備殼體上;當EUT罩殼為絕緣材料時,金屬箔應圍繞手柄包裹。
5.4試驗方法及配置
EUT應放在距離地面80~90cm高的非導電桌上:
a)超長的電纜要進行捆扎,折成30~40cm的線束,若由于特殊原因不能這么做,則應在報告詳細說明電纜布置情況;
b)不用的I/O信號電纜末端接終端電阻,進行終端匹配,不能懸空,這一點尤其重要;
c)EUT與LISN/AMN之間的間隔在地面上的投影距離應至少為80cm;
d)所有的電纜與GND之間的間距在10cm以上;
e)懸垂電纜末端距GND為40cm以上,以保證不會有過分的空間耦合。
f)在屏蔽室內測量時,可用地面或者屏蔽室的任意一壁作為接地平面(GND)。
落地式設備距離LISN80cm,EUT與輔助設備放置在距離GRP0.1m的非導電桌上。
5.5舉例
還是以醫療器械某輸注泵設備為例,與輻射發射類似,先對EUT進行分組分類,因為不同組別和類別的限值會不同。
5.5.1 設備的分組
1組:本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備。
2組:為材料處理而有意產生和(或)使用電磁輻射射頻能量的所有工科醫設備。
大多數類型的設備和系統僅為其內部功能需要而產生或使用RF能量,因此屬于1組,如心電圖和心磁圖設備和系統,腦電圖和腦磁圖設備和系統等,另外一些預期以非RF電磁形式傳遞能量給患者的設備和系統也屬于1組設備,如醫療成像設備和系統——X射線診斷系統、CT系統、超聲診斷系統等;治療設備和系統——超聲治療系統,輸液泵、呼吸機等;只有少數系統和設備是施加RF能量給材料(患者)的,屬于2組設備,常見的有磁共振成像系統、透熱療法設備、熱療設備和高頻手術系統等。
5.5.2 設備的分類
A類:非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
B類:家用和直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備。
5.5.3 結合廣州所檢驗某輸注泵類產品報告來學習,首先是試驗日期、溫濕度、大氣壓力等環境因素填寫,確保電磁環境和機械環境滿足試驗要求
其次試驗依據YY0505、GB4824-2013,按照我上面所講設備分組分類,劃分為1組(本為發揮自身功能的需要而有意產生和(或)使用傳導耦合射頻能量的所有工科醫設備)A類(非家用和不直接連接到住宅低壓供電網設施中使用的設備),
試驗場地選擇在電磁屏蔽室進行,GB4824-2013規定
輸注泵類產品為1組A類設備且輸入功率<20kVA,由6.2.1.2可知在9kHz—150kHz時無適用限值,即不進行此頻段測試;由表2我們可知在0.15MHz—0.50MHz準峰值限值為79dB(μV),平均值限值為66 dB(μV);在0.50MHz—30MHz準峰值限值為73dB(μV),平均值限值為60 dB(μV)。
六、諧波電流測試
6.1什么是諧波電流
電子、電氣設備或系統在設計過程中如果使用了非線性負載,那么當電流流經該非線性負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就會形成非正弦電流,諧波電流就是將非正弦周期性電流函數按傅立葉級數展開時,其頻率為原周期電流頻率整數倍的各正弦分量的統稱。
諧波頻率是基波頻率的整數倍,如果諧波的頻率是基波頻率的N倍,就稱為N次諧波。知名數學家傅立葉曾分析證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波頻率倍數的諧波的正弦波分量,傅里葉變換本質其實就是諧波分析,這說明諧波也是正弦波,只是每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波可以區分為偶次諧波與奇次諧波,如第3、5、7次編號的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波。
有人好奇為什么沒有1次諧波呢?我們知道基波是與該重復波形最長周期相等的正弦波分量,相對于這個周期的頻率被稱為基波(本)頻率。而頻率等于基波(本)頻率整數倍的正弦波分量稱為諧波,因此我們認為一次諧波即為基波,所以很少出現一次諧波的叫法,如基波為50Hz時,2次諧波為100Hz,3次諧波則是150Hz。
一般來講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。如果想了解或學習傅里葉分析,推薦一個超Nice教程:“傅里葉分析之掐死教程”
6.2諧波電流試驗目的
諧波電流不僅會對同一電網中的其他用電設備造成干擾,還會使電網的中線電流超載而降低電能使用效率。另外還可能造成醫用設備超溫,產生噪聲,加速絕緣老化,縮短使用壽命,甚至造成設備故障或燒毀等。
為了保障電網質量,我國相繼公布了GB17625.1《電磁兼容限值低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值(設備每相輸入電流小于或等于16A)》及GB17625.2《電磁兼容限值對額定電流不大于16A的設備在低壓供電系統中產生的電壓波動和閃爍的限值》,分別等同于IEC61000-3-2和IEC61000-3-3。
我們做諧波電流試驗目的旨在檢測電子電氣設備通過電源線注入到公用供電系統中的諧波電流是否滿足相應標準規定的限值要求。
小提示:醫療器械行業諧波電流發射限值參考GB 17625.1,一般來講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大,因此標準中對奇次諧波提出了更高的要求,從而保證醫用設備不會對公共電網造成過大的影響。需要注意的是YY 0505對每相電流>16 A的設備或系統不做要求。
6.3試驗設備及必備條件
根據GB17626.1標準要求,主要試驗設備有以下幾種:
(1)純凈電源:其作用是產生一個沒有諧波的50Hz交流電源,這樣可以保證測試到的諧波完全是由EUT產生的。具體要求如下:
a)輸出電壓穩定度在±2.0%以內,頻率穩定度在±0.5%以內;
b)三項電源應保證兩兩相之間的相角為120°±1.5°;
c)帶載時輸出電壓2-40次諧波分量不得超過GB17625.1第A.2(C)所規定之比例;
d)輸出電壓峰值應為其rms值的1.40到1.42倍之間,且在87°至93°相位角出現;
(2)諧波分析儀:其作用是分析供電電流中的諧波成分,可以使用專門的儀器,也可以使用帶FFT功能的示波器來代替。具體要求如下:
a)應完全符合IEC61000-4-7的要求;
b)電壓、電流、功率的測量準確度滿足下表之要求:
(3)電流取樣傳感器(選用):其主要作用是將EUT電源線中的電流進行取樣,以便于分析。電流取樣傳感器要求靈敏度高切不能對供電條件產生太大的影響,以此來保證測試誤差足夠小。
6.4試驗方法及配置
除非另有規定,諧波電流發射試驗應在正常工作狀態且預期能產生最大總諧波電流的模式下進行,單相設備的測量電路如下圖1所示:
圖1
三相設備的測量電路如下圖2所示:
圖2
6.5舉例
GB17625.1把設備分成4類
a)A類:平衡的三相設備;家用電器(不包括列入D類的設備);工具,不包括便攜式工具;白熾燈調光器;音頻設備;未歸入其他三類的設備都視為A類設備。
b)B類:便攜式工具;不屬于專用設備的弧焊設備。
c)C類:照明設備(包括燈和燈具;主要功能為照明的多功能設備中的照明部分…)。
d)D類:功率不大于600W的個人計算機、計算機顯示器及電視接收機。
各類設備的限值要求如下圖所示:
其中B類設備的限值為A類設備限值的1.5倍,由上圖對比可知諧波電流限值對C類設備要求最為嚴格,D類次之,也是因為這兩類設備在生活中應用最為廣泛。
題外話:一個國家某一領域標準做得好不好,要求的嚴不嚴,經常是看其受到該領域的影響大不大,比如日本對核污染和家用電器方面的標準,華為對5G方面的標準,當然這個并不絕對。
首先確定設備的分類Class A/B/C/D,依據分類來定下具體的限值;
以某A類設備為例:
限值圖如下圖藍色圖形所示:
測試數據如下表:
由此可知,測試結果為合格。
對于大多數諧波測試儀來說,可以設定測量時間(測量時間需要足夠長以滿足測試可重復性的要求,一般默認是2.5min)。設備工作模式的選擇首先參照附錄C,如果在附錄C中沒有列出,那么選擇合適的工作方式使之產生最大諧波電流。諧波分析軟件會根據采樣電流算出各次諧波電流的大小,并與限值比較得出測試結果。
七、射頻電磁場輻射抗擾度試驗
如今,無論生活亦或是工作環境中都充斥著大量不同頻率的電磁場,各個電子、電氣設備在同一空間中同時工作時,總會在他周圍產生一定強度的電磁場,比如電視發射臺、固定或移動式無線電發射臺以及各種工業輻射源產生的電磁場。
在電磁場中運行的(醫療)設備會受到該電磁場的作用,從而可能影響設備的正常運行。心電監護設備的CAT顯示器過渡干擾,醫護人員難以判斷心率致使病人無法復蘇;移動電話對輸液泵、心臟除顫裝置產生的干擾,使其不能正常工作;受調頻電臺FM發射的干擾調制波的影響,擾亂了呼吸節律導致報警失靈;工頻磁場的影響使嬰兒培養箱中溫度不準確,導致新生兒死亡等等。
據而國外權威機構發布的研究報告顯示,從1994年1月至2005年3月發生的550起不良事件中,73.6%懷疑是由電磁干擾引起的,而在這些可疑的不良事件中,死亡和致傷的比例達到了10.7%,每一起不良事件背后都可能是一個悲劇,一個破壞人身健康和家庭和睦的毀滅者,而更可怕的是,由電磁干擾引起的不良事件依然顯示出逐年遞增的趨勢,由此可見,研究電子、電氣設備的電磁兼容是多么的重要!
也正是由于醫械的這樣一個特殊性,所以同樣的測試項可能等級相對其他類型產品會更嚴苛,YY 0505對射頻電磁場輻射抗擾度的等級要求是,在80 MHz~2.5 GHz頻率范圍內非生命支持設備或系統能承受3 V/m 的干擾場強,生命支持設備或系統更要達到10 V/m,試驗方法引用GB/17626.3。
7.1什么是輻射抗擾度
如果從頭認真看了文章的話,相信這個問題已經難不倒你了,輻射發射試驗部分我們有講到輻射是能量以電磁波形式由源發射到空間的現象。雖然我們看不到摸不著,但就像空氣一樣,我們知道它是切實存在的,比如我們日常生活中經常說的手機輻射、電腦輻射等,那么通俗的講,輻射抗擾度就是電子、電氣設備或系統對這些輻射的抗干擾程度。
7.2輻射抗擾度試驗目的
如我們本部分開始所講,日常生活中,我們在使用手機、電視、電腦,聽歌(無線電臺)以及開車(汽車打火裝置)時都會產生輻射發射,我們關心在進行這些動作時會對EUT造成什么樣的影響,比如打電話時對病人使用的呼吸機會造成什么影響?其實這時手機和呼吸機之間已經在進行一場較量了。
于是我們通過測試設備將這些干擾模擬出來,再通過一定的輔助裝置和耦合部件施加到EUT上,通過一定的監測方式來判斷EUT所受影響,那么這也就是我們進行輻射抗擾度試驗的目的:通過試驗來評價電子、電氣設備或系統抵抗輻射干擾的能力。
7.3試驗設備及必備條件
根據GB17626.3標準要求,主要試驗設備有以下幾種:
(1)信號發生器:其主要指標是帶寬,帶調幅功能,能手動或自動掃描,掃描步長及掃描點上的駐留時間可設置,信號幅度能自動控制等。
具體要求如下:
e)完全符合GB/T17626.3 標準第6章的要求;
f)產生覆蓋頻率80MHz-2.5GHz的載波,以及覆蓋頻率0.1Hz-1KHz的正弦波幅度調制,調制深度應包括80%;
g)步長及駐留時間可設置。
(2)功率放大器:用于放大信號并提供驅動天線達到所需的場強水平的功率。在UFA中測得的功率放大器產生的各次諧波場強應比基波場強至少低6dB
具體要求如下:
c)完全符合GB/T17626.3 標準第6章的要求;
d)有效工作頻率覆蓋80MHz-2.5GHz頻率范圍:
e)在EUT處測得的場強不小于18V/m;
f)由于功率放大器所產生的諧波和畸變應比載波放大量小15dB。
(3)天線:能夠滿足頻率特性要求的雙錐、對數周期、喇叭或其他線性極化天線系統。根據不同頻段配置不同類型天線,可參考前面文章,這里不再贅述~
(4)場強探頭及場強儀:具體要求如下:
a)完全符合GB/T17626.3 標準第6章的要求;
b)具有X、Y、Z方向性:
c)場強監控頻率范圍覆蓋80MHz-2.5GHz;
d)場強不小于18V/m。
(5)電波暗室:具有合適的尺寸,同時為了保證測試結果的對比性和重復性,要對測試場地的均勻性進行校準,能維持相對于EUT來說具有足夠空間的均勻場域(例如,有一個1.5m*1.5m的均勻場),局部安裝一些吸收材料使室內的反射減弱。當布置發生變化時(如更換吸波材料、試驗位置的移動或試驗設備的改變),都要重新進行校準。
(6)功率計:要求
a)完全符合GB/T17626.3 標準第6章的要求;
b)功率監控頻率范圍覆蓋80MHz-2.5GHz;
為了避免諧波導致的問題,必要時可采用低通或者帶通濾波器,確保濾波器在連接線路上不致引起諧振效應。
(7)輔助設備:用于記錄試驗規定場強所需的功率電平和控制產生試驗場強的電平(應確保輔助設備具有充分的抗擾度)
7.4試驗方法及配置
(1)建立校準過的騷擾場強、極化方向和調制要求;
(2)使EUT的布置和運行與典型應用時相同,同時要做使用最多的安裝測試;
(3)連接EUT元件之間過長的線纜應該在線的中部捆扎成大約30cm-40cm的低感性線束,若由于特殊原因不能這么做,則應在報告詳細說明電纜布置情況;
(4)在每一個試驗頻率上改變發射信號電平,測量出性能降低時的電平或規定的抗擾度電平,兩者取較低者;
(5)在試驗方案的頻率范圍內掃描,以完成EUT的抗擾度分布圖或者確定不合格/合格的符合情況;
(6)記錄性能降低的所有試驗參數,包括連線位置及方向的完整性描述,使結果能夠被重復;
所有EUT的測試都應在盡可能接近實際安裝配置條件下進行,除非另有規定;不要求有金屬接地板,當需要某種裝置支撐EUT時,應該選用不導電的非金屬材料制作。
落地式設備應置于高出地面0.05-0.15m的非導體支撐物上,使用非導體支撐是為了防止EUT的偶然接地和場的畸變,不能是由絕緣層包裹的金屬構架。如果EUT不是太大太重,提升高度也不會造成安全事故的話,也可以在0.8m高的平臺進行試驗,但應在試驗報告中注明試驗方法。
EUT應放置在一個0.8m高的絕緣試驗臺上;根絕設備相關的安裝說明連接電源和信號線。
7.5試驗程序及舉例
(1)確定實驗室的有關條件:氣候條件應符合EUT和測試設備各自制造商規定的運行條件的要求(一般涉及到溫濕度、大氣壓力等);電磁環境應能保證EUT正常運行且不影響試驗結果(一般情況下都會符合,有疑問可以再留言或私信討論)。
(2)其次給出試驗依據:YY0505-2012條款36.202.3、GB17626.3-2016;
(3)將EUT按照典型安裝要求進行現場布置,線纜按照制造商規定規格和型號安裝;
(4)開機確定EUT的正常運行,使EUT處于正常運行狀態(排除EUT自身問題對試驗的影響);
(5)確定測試計劃,應至少包括以下部分:確定EUT的典型運行條件、所用試驗設備的類型和發射天線的類型與位置、調制方式、掃描頻率、駐留時間、步長、適用的試驗等級、設備依據臺式或是落地式進行布置、確定試驗場地;
通常受試設備的試驗等級是根據其最終安裝環境的電磁情況來選擇的,但對大多數產品來說,在他們的產品標準或者產品族標準里已經充分考慮了使用的環境,所以它們的試驗等級已經確定。
(6)令選型 RF 源工作,使其對受試設備施加干擾。利用場強探頭對 RF 源的場強測量,調整源的功率和距離以保證其能夠符合標準要求電平,對于工科醫設備輻射抗擾要求的干擾電平為 3v/m;
(7)RF 源的干擾時間視受試設備的運行模式時間而定,應保證設備的敏感運行模式中都可以收到 RF 源干擾;
(8)RF 源應在 EUT 的四個側面逐一進行試驗,以保證受試設備各部件都可能受擾;
(9)記錄測試數據、判定測試結果
由此可知,測試結果為合格。
來源:醫械測試