车辆零组件电磁兼容试验方法介绍 ZT

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  车辆零组件电磁兼容试验方法介绍

■ 作者 研計三課 陳茂元

一、前言
由於國內車輛電子發展蓬勃，電磁相容性(EMC, Electromagnetic compatibility)的問題日顯重要。電磁相容性包含電磁干擾(EMI, Electromagnetic interference)與電磁耐受(EMS, Electromagnetic susceptibility)兩大部分，本文以介紹EMS為主，而車輛零組件之EMS，在試驗對象、頻帶及場強等方面，皆有其特殊的試驗方式，因此本文針對車輛零組件的EMS試驗法做介紹。    
   車輛或其零件之EMS能力若太差，一旦受到內部或外部的電磁擾動(disturbance)，輕者可能影響產品性能，重者則可能直接影響行車安全，致使人員損傷。以下即針對車輛零組件之EMS試驗做介紹。

二、國際間車輛零組件電磁耐受試驗法規與標準
國際間之車輛EMC法規包含聯合國歐洲經濟委員會(ECE, Economic Commission for Europe) 公佈之ECE R10、歐盟公佈之97/24/EC第八章指令及72/245/EEC(原95/54/EC)指令，法規檢測項目如表一所說明，其中皆包含整車與零組件EMC試驗法。以ECE R10為例，車輛製造廠欲進行整車之型式認證時，整車可依照此法規第六條之規定直接進行型式認證，車輛製造廠若選擇此項認證程序，則不需要再個別針對電機/電子系統或電機/電子裝置進行試驗。以個別電機/電子裝置進行試驗之車型認證時，車輛製造廠若能向認證機構證明其所有相關電機/電子系統或電機/電子裝置已依照此法規獲得認證，並依其相關條件安裝，則可獲得該車輛之認證。

三、電磁耐受試驗簡介及分類
EMS試驗法是以外加擾動能量到待測件上的方式，來判定待測件的耐受能力。不同的擾動能量，須透過各種不同的試驗方法，選擇適合的耦合方式，才能將能量順利的耦合到待測件上。外加擾動能量的傳遞路徑主要分為輻射性與傳導性兩種，輻射性干擾是指擾動能量不藉由任何傳輸介質作為媒介，由空中傳遞到DUT (Device Under Test)本體或是DUT的線路(電源及訊號線路)，而傳導性干擾則是藉由電源線或訊號線等線路，直接將擾動能量耦合或注入到DUT或線路上。
外加擾動能量的型態包含連續波與暫態波兩種，再依輻射性與傳導性這兩種可能的耦合方式，可將耐受試驗方法細分為連續波傳導、連續波輻射、傳導暫態及ESD (Electro Static Discharge)四大類，這四大類的試驗方法如下述：
(一) 連續波傳導試驗法：
較低頻段的擾動能量不易藉由輻射來傳遞，以傳導耦合的方式，則較容易進入待測件線路。此類試驗法即為使用直接耦合或直接注入的方式，經由電源線或信號線，耦合擾動能量到待測件上，再觀測待測件的耐受能力。試驗的方法包含大電流注入(BCI, Bulk current injection)試驗法[1]、射頻能量直接注入試驗法[2]、電源線低頻傳導耐受試驗法[3]等，相關的國際法規與標準如表二所示。

(二)連續波輻射試驗法：
此試驗的方式是藉由各種發射體，透過電磁場輻射特性，輻射擾動能量到待測件上，再觀測待測件的耐受能力。試驗的方法包含有自由場 (free field) 試驗法[4]、橫向電磁波室(TEM cell，Transverse electromagnetic mode cell)試驗法[5]、三層板(Tri-plate)試驗法[6]、導波線(Stripline)試驗法[7]、平行板天線(Parallel plate antenna)試驗法[8]及低頻磁場(Helmholtz coil)試驗法[9]，相關的國際法規與標準如表三所示。

(三)傳導暫態(叢訊)試驗法[10]：
暫態現象是由一個穩態切換至另一個穩態時，所發生極短時間之瞬時變化現象。此類試驗法即為將此暫態現象，藉由待測件的電源線或信號線，傳導至待測件上，再觀察待測件對於暫態現象的耐受能力，相關的國際法規與標準如表四所示。

(四) 靜電放電試驗法[11]：
此類試驗法為直接經由接觸放電或間接經由空氣放電，將靜電能量釋放到待測件上，再觀察待測件之耐受能力。相關的國際法規與標準如表五所示。


四、試驗方法介紹
由於不同之待測件其使用頻帶、使用環境與使用方法等皆有所不同，因此須依待測件的特性與使用環境來選擇適合的試驗法。試驗時除須配合待測件的特性外，亦須儘可能模擬實際之使用環境，如此才能得到正確的試驗結果。由於相關試驗方法甚多，以下僅以法規及ISO國際標準之規定為主做介紹。
(一)    連續波傳導試驗法:
ECE與EEC法規皆有採用BCI試驗法，此BCI試驗法是車輛領域專有的試驗法。至於射頻能量直接注入試驗法可執行更細部的試驗，法規並無規定。以上兩項試驗方法介紹如下：
1. BCI 試驗法：
一般車輛內的線路安排方式，都是由各種不同的線束互相綑綁而成，各個線束上皆有各自的電流信號，因為線束是互相綑綁而成，受干擾的機會變大，較為脆弱的線束，很容易被影響，造成原本在此線束上的信號發生變動，以致影響到線束末端的電氣裝置。一般較為常見的車輛零組件，如影音系統、光碟機、電動後視鏡等零組件的線束，皆可適用BCI試驗法。
BCI試驗法是經由電流注入夾具，直接感應擾動信號到待測件的線束上。待測件的線束所穿過之電流注入夾具，如同一個電流轉換器，使待測件的線束承受擾動信號以進行耐受試驗。
BCI試驗法應在隔離室內進行，以獲得正確的測試結果。一般BCI試驗法所適用的頻率範圍為從1MHz到400MHz(或延伸至1000MHz)，配置如圖1所示。

圖1 : BCI 試驗法之試驗配置圖
註：1.待測件。 2.待測件之測試線束。 3.負載模擬器。
4.待測件模擬與監視系統。 5.電源供應器。 6.人造電源網路。 7.光纖。
8.射頻儀器。 9.射頻監視夾具。 10.射頻注入夾具。 11.接地平面測試桌。
12.絕緣物。 13.隔離室。

2. 射頻能量直接注入(Direct radio frequency power injection)試驗法：
車輛內其他的零件，可能會產生射頻能量，使待測件受到影響。射頻能量直接注入試驗法，是將射頻能量直接耦合到待測件中。一般車輛零組件的線束是由電源線、信號線等組合而成，射頻能量直接注入試驗法可個別針對電源線或信號線執行耐受試驗。
射頻能量直接注入試驗法應在隔離室中執行，所適用的頻率範圍為0.25MHz到400MHz(或延伸至500MHz)，設備配置如圖2所示。
圖2 : 射頻能量直接注入試驗法之試驗配置圖
註：1.RF信號產生器。 2.RF放大器。 3.頻譜儀或功率計。 4.RF取樣設備。
5.衰減器。 6.DC阻絕電容。 7.輔助件。 8.BAN(地線除外)。 9.待測件。
10.校正用之RF功率計。 11.同軸傳輸線。 12.地線。 13.控制設備。
註：BAN (Broadband Artificial Network)

(二)    連續波輻射試驗法:
包括自由場試驗法、橫向電磁波室試驗法及導波線試驗法在ECE與EEC法規中皆有採用；其中自由場試驗法較不限制待測件大小，橫向電磁波室試驗法則適於小型測試件試驗，能量不會產生外洩。導波線則包含150mm，以及800mm兩種高度的規格，150mm的導波線試驗對象侷限於線路，800mm規格的導波線則可將待測件放入導波線中測試。在ISO中，除了上述三種試驗法，也包含平行板天線試驗法。以下介紹自由場、橫向電磁波室、導波線及平行板天線四項試驗方法：
1. 自由場(free field)試驗法：
在試驗的對象上，包含整個DUT及其輔助件皆暴露在外加擾動能量中，利用輻射耦合的方式輻射連續波源之擾動能量至DUT上，此試驗法無法針對單一DUT來執行測試，而必須是功能完整的次系統(包含電源線路、訊號線路及相關裝置。)，由於電波暗室之空間較大，可容納較大型尺寸的DUT執行試驗，因此較容易使用CCTV或其他監視裝置來觀察DUT的動作特性。電波暗室內佈置有吸收體，可用來吸收暗室內部之反射電磁波，亦可用來阻隔外在電磁、氣候等環境對於試驗的影響。使用電波暗室，可以輕易地將背景雜訊控制在所要求的規定值之下。一般的車輛零組件，如電動後視鏡等，在200MHz到18000MHz頻段範圍之耐受試驗，皆可適用自由場試驗法。
自由場試驗法適用的頻率範圍為200MHz (或20MHz) 到18GHz，試驗配置方式如圖3a,b所說明。

圖3a : 自由場試驗法之試驗配置俯視圖
註：1.信號產生器。 2.放大器。 3.bulkhead連結器。 4.同軸電纜。
5.天線。 6.待測件。 7.電源與信號線之測試線束。
8.電源線之人造網路。 9.測試桌。 10.電波暗室。


圖3b : 自由場試驗法之試驗配置側視圖


2. 橫向電磁波室(Transverse electromagnetic mode cell，TEM cell)試驗法：
橫向電磁波室為一矩形之同軸傳輸線(transmission line)系統，結構如圖4a所示，可傳輸橫向電磁模態波，將擾動能量耦合到零件上，以進行零件耐受試驗。體積較小的車輛零組件適用此試驗法。零組件的電源、信號或是零組件的負載，可經由TEM cell的輸出/入線路(如印刷電路板)，透過TEM cell的連接介面，來與外界做連接或信號傳遞。TEM cell內的零組件，會暴露在均勻的場強中，進行耐受試驗。
橫向電磁波室試驗法所適用的頻率範圍為從0.01MHz到200MHz或更高，結構如圖4a所示，試驗配置如圖4b所示。

圖4a : TEM cell之結構圖
註：1.外部隔離板。 2.隔板。 3.接取門。 4.連接介面。 5.同軸連結端。
6,8.介質支撐件。 7.待測件。 9.輸出/入線路。

圖4b : TEM cell試驗法之試驗配置圖
註：1.信號產生器。 2.寬頻放大器。 3.低通濾波器。 4.雙向性耦合器。5.TEM-cell。 6.50歐姆高功率負載。 7.電場監測系統。 8.待測件。9.介質支撐件。 10.具隔離引線。 11.人造網路。 12.電源供應器。

3. 導波線(Strip line)試驗法：
導波線包含150mm以及800mm兩種的高度規格，可分別將車輛零組件的線束及待測件放入導波線中測試。導波線試驗法的限制為待測件本體或待測線路最大的直徑尺寸僅能為導波線高度的三分之一或更小，且須於隔離室內執行測試。導波線試驗法所適用的頻率為從0.01MHz到200MHz，試驗配置如圖5所示。

圖5 : 150mm導波線之試驗配置圖
註：1.待測件。2.待測件測試線束。3.外圍設備。4.終端阻抗。5.隔離支撐架(介質係數需小於1.4)。
  
4. 平行板天線(Parallel plate antenna)試驗法：
在試驗的對象上，類似於Free field試驗法，適合於較低頻帶範圍之試驗，且特別適用於低頻電場之試驗。所適用的頻率為從0.01MHz到200MHz，試驗配置如圖6a與6b。

圖6a : 平行板天線試驗法之試驗配置俯視圖
註：1.信號產生器。 2.放大器。 3.連接器。 4.雙重披覆同軸纜線。
5.平行板天線。 6.待測件。 7.待測線路(電源及信號線)。
8.人造電源網路。 9.測試台。 10.電波暗室。

圖6b : 平行板天線試驗法之試驗配置側視圖

(三)    傳導暫態(叢訊)試驗法:
ECE與EEC法規中並未包含此試驗法，而是由廠商自行確保，在實際使用上，電源發生暫態變化的機會相當大，如引擎起動瞬間，常會發生電源暫態變化的現象，待測件很容易因此發生故障。傳導暫態試驗法介紹如下：
1. 12V電力系統電源線電力傳導電暫態試驗法：
電力傳導暫態試驗目的為確保使用12V系統之設備其電源線對傳導電暫態的相容性，此試驗須在隔離室中進行。車輛上使用12V電力系統的電氣裝置，皆適用此試驗法。
產生波型的測試脈波產生器，須可產生「測試位準」中之七種基本波型，包含a.模擬電感性負載於電源切斷所產生的暫態現象波型；b.模擬電感性負載串接待測裝置時，電流突然中斷所產生暫態波型；c.模擬開關切換過程而產生的暫態波型；d.模擬內燃機之啟動馬達於運轉時所引起的供電電壓下降現象；e.模擬負載傾注（load dump）的暫態波；f.模擬點火線圈中之電流中斷的瞬間所產生的暫態波；g.模擬引擎關閉瞬間交流磁場衰退效應。
暫態波耐受試驗配置如圖7所表示，圖7中開關T切斷時，設定測試脈波產生器以提供指定的脈波極性、振幅、持續期間和電阻值，接著藉由開關T的閉合，使待測裝置連接到脈波產生器，如果電源供應器已整合在測試脈波產生器中，則此切換動作可由產生器來執行。  

圖7 : 12V系統電源線電力傳導電暫態試驗法之試驗配置圖

2. 24V電力系統電源線電力傳導電暫態試驗法：
24V系統設備之電力傳導電暫態試驗同於12V系統所做的測試，只是暫態波耐受測試之波形有部分不相同。車輛上使用24V電力系統的電氣裝置，皆適用此試驗法。
產生波型的測試脈波產生器，須可產生「測試位準」中之五種基本波型，包含a.模擬電感性負載於電源切斷所產生的暫態現象波型；b.模擬電感性負載串接待測裝置時，電流突然中斷所產生暫態波型；c.模擬開關切換過程而產生的暫態波型；d.模擬內燃機之啟動馬達於運轉時所引起的供電電壓下降現象；e.模擬負載傾注的暫態波。
3. 12V/24V系統非電源線電力傳導電暫態試驗法：
此試驗法是對車輛上之零組件，耦合暫態波到非電源線之導線上。依據ISO7637-3，此測試共兩種測試波型，主要為模擬因開關切換過程所產生的暫態波，測試暫態波由測試脈波產生器生成後，經由耦合夾具，將能量耦合到線路上，耦合夾具的測試配置如圖8所示。

圖8 : 12V/24V系統非電源線電力傳導暫態試驗法之耦合夾具試驗配置圖
註：1.絕緣支撐物，在車輛中若待測裝置未接地需使用之。 2.待測裝置。
3.測試線束之絕緣支撐物。 4.待測件之負載及周邊。 5.接地板。
6.電源供應器。 7.AC電源。 8.電池。 9.示波器。 10.50歐姆衰減器。
11.耦合夾具。 12.測試脈波產生器。

(四)    靜電放電試驗法:
ECE與EEC法規中未包含，而是由廠商自行確保，試驗方法介紹如下：
1. 靜電放電(ESD)試驗法：
在不同靜電電位之物體間，靜電場以接觸或感應方式而產生靜電荷之傳送，此即為靜電放電的形式。在實際的環境中，人體會發生靜電荷儲存的現象，人體接觸到車輛零組件，會發生靜電荷之傳送，此靜電能量可能使車輛零組件發生故障。車輛中人體的靜電放電模型，是利用電容、電壓和電阻來模擬車輛中人體的靜電荷，透過此模型所設計成的模擬器，將擾動能量轉移到待測裝置上，以確認產品的耐受能力，靜電放電試驗法的試驗配置如圖9所示。

圖9 : 靜電放電試驗法之試驗配置圖
註：1.ESD電源供應器。2.ESD模擬器。3.待測裝置。4.周邊。5.電池。
6.接地面。7.接地金屬帶。8.絕緣物(如有必要)。

四、結語
車輛零組件之EMS試驗方式相較於EMI試驗方式而言種類較多，進行試驗前，必須先瞭解待測件所承受之擾動能量型態為連續波或為暫態波，以及擾動能量之傳遞路徑為輻射性或為傳導性，另外，亦須搭配待測件必須進行試驗的頻帶，並考量待測件之使用環境及使用方法等參數，來選擇適合的試驗法。
以世界潮流來看，車輛零組件執行EMS試驗已是國際趨勢，也是確保產品品質的重要工作之一。就確保產品之使用安全性，使其符合國際標準，以提昇產品競爭優勢而言，車輛零組件EMS試驗之管理，已成為下一個必須積極去完成的目標。

參考文獻
1. ISO 11452-4 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 4:Bulk current injection (BCI).
2. ISO 11452-7 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 7irect radio frequency (RF) power injection.
3. SAEJ1113-2,Electromagnetic compatibility measurement procedures and limits for vehicle components (except aircraft)-conducted immunity, 30Hz to 250KHz-all leads.
4. ISO 11452-2 /1995, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy --  Component test   methods  -- Part 2: Absorber-lined chamber.
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7. ISO 11452-5 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 5:Stripline.
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9. SAEJ1113-22, Electromagnetic compatibility measurement procedures for vehicle components- immunity to radiated magnetic fields from power lines.
10. ISO 7637 -0, Road vehicle-electrical disturbance by conduction and coupling -part 0:definitions and general.
11. ISO 10605, Road vehicle-electrical disturbance from electrostatic discharges.

steven01

请参考www.artc.org.tw/chinese/upload/monthly/title/3车辆零组件电磁耐受试验.doc
可以直接下载
谢谢

r5831135

關於車用測試資料  感覺還滿好用的
tks!

ilove6

其实最需要的不是试验方法，而是怎么改进

fly9904

不错，很不错！！

challys

引用第10楼ilove6于2008-12-13 12:01发表的“”:
其实最需要的不是试验方法，而是怎么改进

测试才可以发现问题，测试手段的发展对产品质量的把关至关重要。

bruce

利害阿~~~

jacky2002

支持,不过整车的辐射好象都很少有人提及哦?

mirandali

链接被移除了?

skhelen

thinks!