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车辆零组件电磁兼容试验方法介绍
车辆零组件电磁兼容试验方法介绍
一、前言
由于国内车辆电子发展蓬勃，电磁兼容性(EMC, Electromagnetic compatibility)的问题日显重要。电磁兼容性包含电磁干扰(EMI, Electromagnetic interference)与电磁耐受(EMS, Electromagnetic susceptibility)两大部分，本文以介绍EMS为主，而车辆零组件之EMS，在试验对象、频带及场强等方面，皆有其特殊的试验方式，因此本文针对车辆零组件的EMS试验法做介绍。
车辆或其零件之EMS能力若太差，一旦受到内部或外部的电磁扰动(disturbance)，轻者可能影响产品性能，重者则可能直接影响行车安全，致使人员损伤。以下即针对车辆零组件之EMS试验做介绍。
二、国际间车辆零组件电磁耐受试验法规与标准
国际间之车辆EMC法规包含联合国欧洲经济委员会(ECE, Economic Commission for Europe) 公布之ECE R10、欧盟公布之97/24/EC第八章指令及72/245/EEC(原95/54/EC)指令，法规检测项目如表一所说明，其中皆包含整车与零组件EMC试验法。以ECE R10为例，车辆制造厂欲进行整车之型式认证时，整车可依照此法规第六条之规定直接进行型式认证，车辆制造厂若选择此项认证程序，则不需要再个别针对电机/电子系统或电机/电子装置进行试验。以个别电机/电子装置进行试验之车型认证时，车辆制造厂若能向认证机构证明其所有相关电机/电子系统或电机/电子装置已依照此法规获得认证，并依其相关条件安装，则可获得该车辆之认证。
三、电磁耐受试验简介及分类
EMS试验法是以外加扰动能量到待测件上的方式，来判定待测件的耐受能力。不同的扰动能量，须透过各种不同的试验方法，选择适合的耦合方式，才能将能量顺利的耦合到待测件上。外加扰动能量的传递路径主要分为辐射性与传导性两种，辐射性干扰是指扰动能量不藉由任何传输介质作为媒介，由空中传递到DUT (Device Under Test)本体或是DUT的线路(电源及讯号线路)，而传导性干扰则是藉由电源线或讯号线等线路，直接将扰动能量耦合或注入到DUT或线路上。
外加扰动能量的型态包含连续波与瞬时波两种，再依辐射性与传导性这两种可能的耦合方式，可将耐受试验方法细分为连续波传导、连续波辐射、传导瞬时及ESD (Electro Static Discharge)四大类，这四大类的试验方法如下述：
(一) 连续波传导试验法：
较低频段的扰动能量不易藉由辐射来传递，以传导耦合的方式，则较容易进入待测件线路。此类试验法即为使用直接耦合或直接注入的方式，经由电源线或信号线，耦合扰动能量到待测件上，再观测待测件的耐受能力。试验的方法包含大电流注入(BCI, Bulk current injection)试验法[1]、射频能量直接注入试验法[2]、电源线低频传导耐受试验法[3]等，相关的国际法规与标准如表二所示。
(二)连续波辐射试验法：
此试验的方式是藉由各种发射体，透过电磁场辐射特性，辐射扰动能量到待测件上，再观测待测件的耐受能力。试验的方法包含有自由场 (free field) 试验法[4]、横向电磁波室(TEM cell，Transverse electromagnetic mode cell)试验法[5]、三层板(Tri-plate)试验法[6]、导波线(Stripline)试验法[7]、平行板天线(Parallel plate antenna)试验法[8]及低频磁场(Helmholtz coil)试验法[9]，相关的国际法规与标准如表三所示。
(三)传导瞬时(丛讯)试验法[10]：
瞬时现象是由一个稳态切换至另一个稳态时，所发生极短时间之瞬时变化现象。此类试验法即为将此瞬时现象，藉由待测件的电源线或信号线，传导至待测件上，再观察待测件对于瞬时现象的耐受能力，相关的国际法规与标准如表四所示。
(四) 静电放电试验法[11]：
此类试验法为直接经由接触放电或间接经由空气放电，将静电能量释放到待测件上，再观察待测件之耐受能力。相关的国际法规与标准如表五所示。
四、试验方法介绍
由于不同之待测件其使用频带、使用环境与使用方法等皆有所不同，因此须依待测件的特性与使用环境来选择适合的试验法。试验时除须配合待测件的特性外，亦须尽可能模拟实际之使用环境，如此才能得到正确的试验结果。由于相关试验方法甚多，以下仅以法规及ISO国际标准之规定为主做介绍。
(一) 连续波传导试验法:
ECE与EEC法规皆有采用BCI试验法，此BCI试验法是车辆领域专有的试验法。至于射频能量直接注入试验法可执行更细部的试验，法规并无规定。以上两项试验方法介绍如下：
1. BCI 试验法：
一般车辆内的线路安排方式，都是由各种不同的线束互相捆绑而成，各个线束上皆有各自的电流信号，因为线束是互相捆绑而成，受干扰的机会变大，较为脆弱的线束，很容易被影响，造成原本在此线束上的信号发生变动，以致影响到线束末端的电气装置。一般较为常见的车辆零组件，如影音系统、光驱、电动后视镜等零组件的线束，皆可适用BCI试验法。
BCI试验法是经由电流注入夹具，直接感应扰动信号到待测件的线束上。待测件的线束所穿过之电流注入夹具，如同一个电流转换器，使待测件的线束承受扰动信号以进行耐受试验。
BCI试验法应在隔离室内进行，以获得正确的测试结果。一般BCI试验法所适用的频率范围为从1MHz到400MHz(或延伸至1000MHz)，配置如图1所示。
图1 : BCI 试验法之试验配置图
注：1.待测件。 2.待测件之测试线束。 3.负载仿真器。
4.待测件仿真与监视系统。 5.电源供应器。 6.人造电源网络。 7.光纤。
8.射频仪器。 9.射频监视夹具。 10.射频注入夹具。 11.接地平面测试桌。
12.绝缘物。 13.隔离室。
2. 射频能量直接注入(Direct radio frequency power injection)试验法：
车辆内其它的零件，可能会产生射频能量，使待测件受到影响。射频能量直接注入试验法，是将射频能量直接耦合到待测件中。一般车辆零组件的线束是由电源线、信号线等组合而成，射频能量直接注入试验法可个别针对电源线或信号线执行耐受试验。
射频能量直接注入试验法应在隔离室中执行，所适用的频率范围为0.25MHz到400MHz(或延伸至500MHz)，设备配置如图2所示。
图2 : 射频能量直接注入试验法之试验配置图
注：1.RF信号产生器。 2.RF放大器。 3.频谱仪或功率计。 4.RF取样设备。
5.衰减器。 6.DC阻绝电容。 7.辅助件。 8.BAN(地线除外)。 9.待测件。
10.校正用之RF功率计。 11.同轴传输线。 12.地线。 13.控制设备。
注：BAN (Broadband Artificial Network)
(二) 连续波辐射试验法:
包括自由场试验法、横向电磁波室试验法及导波线试验法在ECE与EEC法规中皆有采用；其中自由场试验法较不限制待测件大小，横向电磁波室试验法则适于小型测试件试验，能量不会产生外泄。导波线则包含150mm，以及800mm两种高度的规格，150mm的导波线试验对象局限于线路，800mm规格的导波线则可将待测件放入导波线中测试。在ISO中，除了上述三种试验法，也包含平行板天线试验法。以下介绍自由场、横向电磁波室、导波线及平行板天线四项试验方法：
1. 自由场(free field)试验法：
在试验的对象上，包含整个DUT及其辅助件皆暴露在外加扰动能量中，利用辐射耦合的方式辐射连续波源之扰动能量至DUT上，此试验法无法针对单一DUT来执行测试，而必须是功能完整的次系统(包含电源线路、讯号线路及相关装置。)，由于电波暗室之空间较大，可容纳较大型尺寸的DUT执行试验，因此较容易使用CCTV或其它监视装置来观察DUT的动作特性。电波暗室内布置有吸收体，可用来吸收暗室内部之反射电磁波，亦可用来阻隔外在电磁、气候等环境对于试验的影响。使用电波暗室，可以轻易地将背景噪声控制在所要求的规定值之下。一般的车辆零组件，如电动后视镜等，在200MHz到18000MHz频段范围之耐受试验，皆可适用自由场试验法。
自由场试验法适用的频率范围为200MHz (或20MHz) 到18GHz，试验配置方式如图3a,b所说明。
图3a : 自由场试验法之试验配置俯视图
注：1.信号产生器。 2.放大器。 3.bulkhead连结器。 4.同轴电缆。
5.天线。 6.待测件。 7.电源与信号线之测试线束。
8.电源线之人造网络。 9.测试桌。 10.电波暗室。
图3b : 自由场试验法之试验配置侧视图
2. 横向电磁波室(Transverse electromagnetic mode cell，TEM cell)试验法：
横向电磁波室为一矩形之同轴传输线(transmission line)系统，结构如图4a所示，可传输横向电磁模态波，将扰动能量耦合到零件上，以进行零件耐受试验。体积较小的车辆零组件适用此试验法。零组件的电源、信号或是零组件的负载，可经由TEM cell的输出/入线路(如印刷电路板)，透过TEM cell的连接接口，来与外界做连接或信号传递。TEM cell内的零组件，会暴露在均匀的场强中，进行耐受试验。
横向电磁波室试验法所适用的频率范围为从0.01MHz到200MHz或更高，结构如图4a所示，试验配置如图4b所示。
图4a : TEM cell之结构图
注：1.外部隔离板。 2.隔板。 3.接取门。 4.连接接口。 5.同轴连结端。
6,8.介质支撑件。 7.待测件。 9.输出/入线路。
图4b : TEM cell试验法之试验配置图
注：1.信号产生器。 2.宽带放大器。 3.低通滤波器。 4.双向性耦合器。5.TEM-cell。 6.50奥姆高功率负载。 7.电场监测系统。 8.待测件。9.介质支撑件。 10.具隔离引线。 11.人造网络。 12.电源供应器。
3. 导波线(Strip line)试验法：
导波线包含150mm以及800mm两种的高度规格，可分别将车辆零组件的线束及待测件放入导波线中测试。导波线试验法的限制为待测件本体或待测线路最大的直径尺寸仅能为导波线高度的三分之一或更小，且须于隔离室内执行测试。导波线试验法所适用的频率为从0.01MHz到200MHz，试验配置如图5所示。
图5 : 150mm导波线之试验配置图
注：1.待测件。2.待测件测试线束。3.外围设备。4.终端阻抗。5.隔离支撑架(介质系数需小于1.4)。
4. 平行板天线(Parallel plate antenna)试验法：
在试验的对象上，类似于Free field试验法，适合于较低频带范围之试验，且特别适用于低频电场之试验。所适用的频率为从0.01MHz到200MHz，试验配置如图6a与6b。
图6a : 平行板天线试验法之试验配置俯视图
注：1.信号产生器。 2.放大器。 3.连接器。 4.双重披覆同轴缆线。
5.平行板天线。 6.待测件。 7.待测线路(电源及信号线)。
8.人造电源网络。 9.测试台。 10.电波暗室。
图6b : 平行板天线试验法之试验配置侧视图
(三) 传导瞬时(丛讯)试验法:
ECE与EEC法规中并未包含此试验法，而是由厂商自行确保，在实际使用上，电源发生瞬时变化的机会相当大，如引擎起动瞬间，常会发生电源瞬时变化的现象，待测件很容易因此发生故障。传导瞬时试验法介绍如下：
1. 12V电力系统电源线电力传导电瞬时试验法：
电力传导瞬时试验目的为确保使用12V系统之设备其电源线对传导电瞬时的兼容性，此试验须在隔离室中进行。车辆上使用12V电力系统的电气装置，皆适用此试验法。
产生波型的测试脉波产生器，须可产生「测试位准」中之七种基本波型，包含a.仿真电感性负载于电源切断所产生的瞬时现象波型；b.仿真电感性负载串接待测装置时，电流突然中断所产生瞬时波型；c.模拟开关切换过程而产生的瞬时波型；d.模拟内燃机之启动马达于运转时所引起的供电电压下降现象；e.仿真负载倾注（load dump）的瞬时波；f.模拟点火线圈中之电流中断的瞬间所产生的瞬时波；g.仿真引擎关闭瞬间交流磁场衰退效应。
瞬时波耐受试验配置如图7所表示，图7中开关T切断时，设定测试脉波产生器以提供指定的脉波极性、振幅、持续期间和电阻值，接着藉由开关T的闭合，使待测装置连接到脉波产生器，如果电源供应器已整合在测试脉波产生器中，则此切换动作可由产生器来执行。
图7 : 12V系统电源线电力传导电瞬时试验法之试验配置图
2. 24V电力系统电源线电力传导电瞬时试验法：
24V系统设备之电力传导电瞬时试验同于12V系统所做的测试，只是瞬时波耐受测试之波形有部分不相同。车辆上使用24V电力系统的电气装置，皆适用此试验法。
产生波型的测试脉波产生器，须可产生「测试位准」中之五种基本波型，包含a.仿真电感性负载于电源切断所产生的瞬时现象波型；b.仿真电感性负载串接待测装置时，电流突然中断所产生瞬时波型；c.模拟开关切换过程而产生的瞬时波型；d.模拟内燃机之启动马达于运转时所引起的供电电压下降现象；e.仿真负载倾注的瞬时波。
3. 12V/24V系统非电源线电力传导电瞬时试验法：
此试验法是对车辆上之零组件，耦合瞬时波到非电源线之导线上。依据ISO7637-3，此测试共两种测试波型，主要为模拟因开关切换过程所产生的瞬时波，测试瞬时波由测试脉波产生器生成后，经由耦合夹具，将能量耦合到线路上，耦合夹具的测试配置如图8所示。
图8 : 12V/24V系统非电源线电力传导瞬时试验法之耦合夹具试验配置图
注：1.绝缘支撑物，在车辆中若待测装置未接地需使用之。 2.待测装置。
3.测试线束之绝缘支撑物。 4.待测件之负载及周边。 5.接地板。
6.电源供应器。 7.AC电源。 8.电池。 9.示波器。 10.50奥姆衰减器。
11.耦合夹具。 12.测试脉波产生器。
(四) 静电放电试验法:
ECE与EEC法规中未包含，而是由厂商自行确保，试验方法介绍如下：
1. 静电放电(ESD)试验法：
在不同静电电位之物体间，静电场以接触或感应方式而产生静电荷之传送，此即为静电放电的形式。在实际的环境中，人体会发生静电荷储存的现象，人体接触到车辆零组件，会发生静电荷之传送，此静电能量可能使车辆零组件发生故障。车辆中人体的静电放电模型，是利用电容、电压和电阻来仿真车辆中人体的静电荷，透过此模型所设计成的仿真器，将扰动能量转移到待测装置上，以确认产品的耐受能力，静电放电试验法的试验配置如图9所示。
图9 : 静电放电试验法之试验配置图
注：1.ESD电源供应器。2.ESD仿真器。3.待测装置。4.周边。5.电池。
6.接地面。7.接地金属带。8.绝缘物(如有必要)。
四、结语
车辆零组件之EMS试验方式相较于EMI试验方式而言种类较多，进行试验前，必须先了解待测件所承受之扰动能量型态为连续波或为瞬时波，以及扰动能量之传递路径为辐射性或为传导性，另外，亦须搭配待测件必须进行试验的频带，并考虑待测件之使用环境及使用方法等参数，来选择适合的试验法。
以世界潮流来看，车辆零组件执行EMS试验已是国际趋势，也是确保产品质量的重要工作之一。就确保产品之使用安全性，使其符合国际标准，以提升产品竞争优势而言，车辆零组件EMS试验之管理，已成为下一个必须积极去完成的目标。
参考文献
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 7 irect 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.
5. ISO 11452-3 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 3:Transverse electromagnetic mode (TEM) cell.
6. SAEJ1113-25,Electromagnetic compatibility measurement procedures for vehicle components- immunity to radiated electromagnetic fields, 10KHz to 1000MHz,trip-plat line method
7. ISO 11452-5 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 5:Stripline.
8. ISO 11452-6 /2001, Road vehicles -- Electrical disturbances by narrowband radiated electromagnetic energy -- Component test methods -- Part 6 arallel plate antenna.
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
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发表于 2007-8-26 10:12:34
