EMI如何测试?

EMI通常指电子设备对外产生的电磁干扰，当电子设备存在突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大，便会产生交变的电磁场，从空间辐射或导体传导出去，影响到周边其他的电子设备。它和EMS同为EMC的一部分，EMC（Electro Magnetic Compatibility 电磁兼容性）=EMI（干扰度）+EMS（抗扰度）。

这里Compatibility常译为“兼容性”，许多文章讲EMI“一致性”测试，说的都是同一个词。

频谱分析仪是射频微波领域的万用表，在产品可靠性、数字电路和电源设计领域它也有着重要的用途------无处不在的EMI测试。

一、EMI概述

一般来说，电子类产品开发过程中EMI测试的实施常分为EMI诊断，EMI预兼容测试和EMI兼容测试这几个阶段，各阶段的目的和方法都是不同的。

EMI的诊断测试和预兼容测试，很大程度上都是为认证性的兼容测试存在的。首先，电磁兼容测试是产品质量的内在要求，每一个电子设备或系统都要在预定的电磁环境中能够正常工作，同时也不能过于影响其他电子设备或系统，这需要有一套规范的质量标准。其次，几乎所有的电子类产品都不得不通过电磁兼容测试认证，这是国家和组织的技术壁垒，产品要想进入这些市场必须有强制性认证，这方面世界各个地区都有各自的标准。

电磁兼容认证的步骤苛刻庞杂，正式的产品认证需要大量测试设备和测试过程，费金耗时。因此，在产品研发设计的各个阶段中都应尽早发现和解决各个级别的电磁兼容的问题，提升产品的过程质量，避免最后的产品认证测试不通过，导致同样费金耗时的返工整改。（多说一句，电磁设备对人的影响属于电磁兼容的范畴吗？概念上讲并不是，而且电磁对人的生理影响尚未有科学依据，所以还没有划归到电磁兼容领域。）

从图 1中可以看到，在产品开发的各个阶段，EMI测试的重点是不同的：

•EMI诊断和调试（Diagnosis）

EMI诊断和调试在单元和产品设计阶段，主要是遵循一些电磁兼容的设计原则，对电源/时钟/接口线缆/主要芯片等对象，通过合理的布局/接地/屏蔽/走线/滤波等技术完成略有重点的设计和调试，不是为了测量EMI的精确结果，而是为了找出EMI的根源，从而改善产品设计，既是为了后期产品集成后通过EMI兼容认证，也是为了产品内部相互稳定的可靠性设计。

EMI诊断在实验室使用普通的测试仪器即完成，例如带有FFT分析功能的中高端示波器，普通的频谱分析仪，近场探头，手艺好的工程师还可以自己制作性能良好的近场探头，对于很多较强的EMI辐射，例如某些回路过大的开关电源，甚至只需要一根裸露的导线即可探测到空间中的骚扰信号。这种定性分析主要针对的是硬件设计人员，目的是要快捷简便，成本低廉，重复性好。

•EMI预兼容测试（Pre Compliance）

EMI预兼容测试在产品原型和试产阶段，一般要在产品级或系统级进行预兼容（Pre Compliance）测试，预兼容并没有一个明确的参考标准，就是尽量低成本地模拟兼容测试标准，对EMI状况进行较正式的摸底，避免在正式的兼容测试中失败。

预兼容测试会涉及到一些近似具有认证级设备功能的测试设备，例如单独的试验场所，具备EMI滤波器和准峰值检波功能的频谱分析仪或入门级EMI接收机，人工电源网络或电流钳，隔离变压器，低端的电磁屏蔽箱，带电流注入功能的电源（EMS测试）等，并要基本了解该产品需要达到的认证标准，有比较明确的测试目标，以便为产品留足认证通过的空间，目标就是用现有的设备尽量模拟真实认证环境。

•EMI兼容测试（Compliance）

EMI兼容测试主要针对产品级进行认证测试，这个阶段必须需要到专业的，有认证资质的EMC机构，使用符合标准的专业的测试设备和环境，遵循EMI标准规定的校准过程，测试方法和执行步骤，选择特定产品的限制标准进行比较，按照标准规定的方法分析测量数据，并依照标准格式给出报告，目标就是拿到认证资格证明。兼容认证测试标准严格，过程昂贵，时间冗长，必须尽量减少兼容测试的次数，以节省成本和加快产品上市时间。

EMI兼容测试，或者往大了说EMC兼容测试，是一个独立的大行业。IEC规定的电磁兼容标准以及衍生出的产品类和产品标准，很难由各个公司的产品部门执行，由此诞生了专门的电磁兼容认证测试机构，电磁兼容测试设备，以及由此衍生出的电磁兼容整改业务，都有一大批专业组织和人才。

如果把EMC测试比作英语考试，EMC诊断就像是平时的课堂测验，预兼容测试就像考前做模拟真题，正式的兼容测试就像是终极的四六级考试，而林林总总的整改机构就是各种课外补习班 ---- 说句偷懒的话，最终的过级考试严格繁琐，原则却是60分万岁，毕竟一分质量需要一分成本，而且最终对外只看那一纸证明；不过话说回来，想要60分，至少要按照80分去学习，在模拟题上做70分才敢上考场，侥幸是不行的，不然考试费用就白瞎了。

在成本和质量之间，无论是个人还是公司，都要做到这方面的平衡。

二、EMC标准

IEC作为电工电子类国际标准组织，其下属的CISPR和TC77制定了大部分EMC基础标准和产品标准：IEC 6xxxx和CISPR xx。其他各国和组织都在IEC的基础上引申或直接使用，如下图中所示，中国的GB，欧盟的EN，美国的FCC和事实上的国际军工标准MIL-STD。

CISPR和TC77规定了EMC的基础标准，通用标准和产品（类）标准三大类型。

基础标准：CISPR 16/17，IEC61000-4等，描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备，定义了等级和性能判据，不涉及具体产品；

通用标准：IEC 61000-6，按照设备使用环境来划分，所有产品必须首先符合通用标准，当产品没有特定的产品类标准可以遵循时，直接使用通用标准来进行EMC测试；

产品标准：CISPR 11~15，CISPR20~25等，针对某种产品系列的EMC测试标准。往往引用通用标准，但根据产品的特殊性提出更详细的规定。例如CISPR 11规定了工业科学医学设备的测量方法和限值，CISPR22规定了信息产品的测试方法和限值，产品标准涵盖了现有绝大部分电子类产品。

对于某一个特定产品，应怎样知道应选取哪个合适的标准进行测试？首先要明确产品的使用场景以及要选取的地区标准，比如中国、美国、欧洲、日本？信息科技设备 (ITE)，工医科 (ISM)？家用、商用、轻工业、重工业？室内、室外？选取对应的产品标准或产品类标准，确定测试项目的限值；如果没有合适的产品类标准，则按相应的通用标准确定测试项目限值；最后，按基础标准的要求进行每个测试项目，场地、测试方法、测试仪器必须满足基础测试框架的要求。

看下基础标准CISPR16（对应GB6113/EN55016）的内容，

CISPR16分为四个部分：第一部分为测量设备的规范，包括EMI接收机，人工电源网络，吸收钳，天线场，夹具校准等测量设备的规范；第二部分为测量环境，测量方法，校准场地和测量程序等；第三部分为术语和报告等；第四部分为数据统计方法等。

对于频谱分析仪来说，其用于EMC预兼容测试时的功能和性能应遵循CISPR 16-1-1测试设备中的相关规定进行设计和校准，由于测量结果读数与检波方式有关，因此该标准中明确规定了准峰值，峰值，平均值等几种检波方式；测量过程应遵循CISPR16-2-x中的相关规定；而测量数据和报告应遵循CISPR16-3以及4中的相关规定。但是频谱分析仪和标准的EMI接收机仍是不同的，因为频谱分析仪并不能满足标准中的所有规定。

三、EMI预兼容测试系统

作为质量成本的一部分，EMI测试尽量在产品设计早期阶段的介入是必要的。上文提到，IEC标准分为三大类型，基础标准，通用标准和产品标准，考虑到测量方法的通用性，本节从基础标准和通用标准入手，介绍EMI兼容测试的系统。在CISPR16和IEC61000系列中，大致可以认为测量项目分为下图的类别。在实验室能进行的EMI预兼容测试，包括传导骚扰和辐射骚扰两部分，也就是下图中的笑脸。

传导发射骚扰测试系统

传导发射骚扰是最基本的一个电磁骚扰，主要沿着导体传播。它主要是由于电源不合格引起的，指使用交流供电的设备在运行过程中对处在相同电网下其他设备的干扰信号。所有的电子产品在用交流电源时都会对电网发出骚扰信号，这类信号低频居多，EMC标准规定的骚扰频率范围通常是从 9 kHz 到 30 MHz。如果传导骚扰的信号过大，就会影响整个电网的供电质量，进而干扰到同一片交流电网下其他设备的正常运行。

传导干扰要对设备电源连接到电网的三条线，红/黄色火线L（LIVE），黄绿/黑色地线E（Earth），蓝色零线N（NEUTRAL），分别独立的测试并出具三份报告。当设备存在较长的电信连线（例如网线，USB线）时，也要考虑从电信连线上对对端设备的干扰信号。在某些LISN不适用的场合，可以考虑使用电流钳。

传导骚扰的EMI测试通常要带电运行，而且需要区分测试结果中的骚扰究竟来自于被测设备还是电网中原来就存在的骚扰，因此需要有特定的隔离设备组合：

线性阻抗稳定网络LISN（Line Impedance Stabilization Network）：由于电源传导发射的强度与电网的阻抗有关，为了使测量具有唯一性，必须在特定的阻抗条件下测量，LISN就提供了这样一个环境，CISPR标准规定的LISN为50Ω/50μH。LISN也对来自电网的干扰信号进行滤波，使电网内的干扰与被测设备相互隔离，但是将被测试设备对电网的干扰耦合出来，送到LISN的输出测试端，提供标准的共模和差模阻抗，再送出给测试设备（一般是频谱仪或EMI接收机）。LISN是传导测试中的核心设备，本质上讲它是一个单向高通滤波器，只将特定频段的干扰信号筛选出来进行测试。

隔离变压器：由于LISN的设计原理限制，它的供电存在较大的漏电流，要求实际应用时需要良好接地，必须要加隔离变压器与电网隔离开使用。

瞬态限幅器：传导骚扰可能存在很大的能量，为防止测试设备过载或烧毁，需在频谱仪的测量端口前加限幅保护，并在结果中补偿。

被测设备：测量对象一般是交流供电端的三条线，以及部分的电气信号线。

测试设备：具有符合EMI传导测试功能的EMI接收机或频谱分析仪。

辐射发射骚扰测试系统

数字设备由于脉冲电流和开关电源的使用，具有丰富的谐波，一旦接地回路或接口处理不当就会对外产生较强的辐射骚扰，而芯片部分的低压使系统的抗扰度降低。这些辐射骚扰的频率没有特定的范围，从测试标准上看通常从 30 MHz 到 1 GHz /18 GHz。

近场测试非常适合产品开发阶段辐射骚扰的EMI诊断。在这个阶段，标准测试方法或许能给出精确的结果，但却无法显示问题的来源所在，近场探头就是很合适的定位工具；然而必须认识到，近场探头的测试结果几乎不能给出有关设备辐射水平的准确信息，误差和波动可达到20dB以上。

使用近场探头测试的过程中，要保证测量结果远小于标准中规定的骚扰限值；在整改过程中，也要保证每次尝试整改后的复测结果好于前面的各种测量。为了通过近场测试大致了解产品是否能通过最终的兼容测试，需要在已经确知结果的样品上进行多次尝试。

辐射骚扰不像传导骚扰固定在传输线上，它是向四面八方发射的，所以需要尽可能地测试产品所有的位置，这个密度和时间并没有在标准中准确给出，需要根据产品的特点进行特定测试。测试的间隔越细，每个位置和角度测试的时间越长，就越能测试出真实辐射长度，但是成本也越高了。

辐射骚扰预兼容测试系统需要用到各种天线，各种规格的屏蔽暗室，可灵活旋转的测试台和可升降天线杆，能够校准天线频响的频谱分析仪或EMI接收机，这些辅助设备一般公司很难备齐，所以不在这里详述。辐射问题仍推荐使用近场探头完成最低成本的EMI测试评估，准确度虽然不高，但是能排除大部分问题了。

四、经济型EMI预兼容测试系统的推荐配置

经济型的EMI预兼容测试系统方案的推荐配置：

1.接地良好的实验室或实验台：参见图 3

2. 频谱分析仪：SSA3021X，9 kHz~2.1 GHz：参见图 2和图 3

作为性价比最高的国产频谱分析仪，SSA3000X 系列具有便捷的操作界面和简洁的显示风格，采用成熟的数字中频技术，最小分辨率带宽（RBW）低至10Hz，标配前置放大器，显示平均噪声电平（DANL）达-161 dBm/Hz，具备出色的微小信号测量能力，全幅度精度<0.7 dB，测量结果精确可信，适用于研发，教育，生产，维修和相关领域，对EMI诊断和EMI预兼容测试也有相应的功能支持。

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3. SSA3000X的EMI预兼容测试套件： EMI-SSA3000X，支持EMI滤波器和准峰值（QP，Quasi Peak）检波器

基础标准CISPR 16-1-1规定了测量设备的EMI滤波器和准峰值检波器标准。EMI滤波器仍是准高斯形状，只是其脉冲带宽定义为-6dB，相比于传统的高斯滤波器具有更好的频率选择性。准峰值检波是一种快速充电，慢速放电的检波器，时间加权的检波方式，它将时间上间断出现的骚扰信号进行幅度的加权平均作为结果显示，这样即使幅度很大但是出现概率很低的骚扰信号可能得到较低的准峰值检波结果，而幅度很小但是出现概率很高的骚扰信号也有可能得到较高的准峰值检波结果，这种加权比较适合电子设备对骚扰信号的反应，也符合人的心理上对EMI骚扰程度的体验。

但是准峰值检波的平均过程测试时间长，并不利于日常的诊断。因此在进行EMI与兼容测试时，可以先用峰值检波快速发现EMI 问题频点，然后针对这些峰值点专门进行准峰值测量，以节省测试时间。对每一个点的准峰值检波测量，SSA3000X频谱分析仪还提供了驻留时间选项，既可以快速扫描，也可以更精细的测量，反映出测试频点的准峰值幅度。

4. 探头选件：SRF5030，9 kHz~3 GHz近场探头，分辨率从25mm到2mm，用于辐射骚扰测量。如前所述，近场探头的幅度准确度较低，误差在10dB以上，尤其在高频误差将更大，仅能够作为定性判断工具使用，但却是大部分辐射骚扰测试的利器。Siglent近场探头SRF5030套装，提供4种不同分辨率的磁场探头，针对空间辐射，线缆，PCB等查找干扰源；同时选配30dB的前置放大器，以提高系统测试灵敏度。

5. LISN和电流钳选件：SEM5040A和SEM5011，用于传导测量

SEM5040A人工电源网络是一款（50uH+5Ω）||50Ω V型 LISN（Line Impedance Stable Network），能在9 kHz到30 MHz射频范围内为被测试设备端子和参考地之间提供稳定的阻抗，同时将来自电网的无用信号与测量电路隔离开，仅将被测试设备的干扰电压耦合到测量接收机的输入端。该产品的性能符合CISPR16-1-2：2006标准要求，适用于单相设备传导骚扰电压测量；标准的BNC输出接口和50欧姆输出阻抗，可匹配任何厂家的接收机、频谱仪等测量设备；产品自带模拟手功能，可模拟手持式设备测量；可选的150kHz高通滤波器，用户可以根据相应标准选择低端频率从9kHz还是150kHz开始；内置瞬态限幅器（10dB衰减），可以有效保护接收机或频谱仪不会因为大信号损坏，可以把EM5040A直接安全地连接到测量设备，不需要另外购买限幅器。

SEM5011射频电流探头是一款射频宽带电流互感器，适用于20 Hz到200 MHz的EMI干扰测量和屏蔽效果测量，具有300 kHz到120 MHz平坦的频率响应曲线，性能符合CISPR 16-1-2 标准要求，常用于夹在被测设备的电源线或者控制线上测量干扰信号电流的大小，电流探头的射频输出电压正比于被测干扰信号电流的大小。SEM5011 射频电流探头可以非常方便地夹在被测导线上，用在那些不能使用人工电源网络的 EMI 测量场合（如电流太大或接线困难等）。  

6. 免费的PC机预兼容测试控制软件：EasySpectrum

EasySpectrum是Siglent针对SSA3000X系列频谱分析仪而开发一款PC应用软件，该软件包括频谱仪基本控制和显示功能，也可用于进行EMI预兼容测试流程。该软件基于业界通用的标准驱动VISA设计，可以通过USB-TMC或LAN接口实现软件与仪器的通信，从而实现对仪器的应用控制。

EasySpectrum支持完整的EMI预兼容测试自动化实施流程。上文提到由于准峰值检波需要较长的测试时间，在全频段扫描时使用准峰值检波是非常耗时的，所以推荐设置中分为预扫描—寻找峰值----终扫描三部分，预扫描使用峰值检波，可以快速的将全频段中的极大值找出来，然后按照幅度为这些峰值排序，最后在使用准峰值检波，对每个峰值点单独地进行准峰值测试，可以大大节省预兼容测试的时间。该软件支持全流程的文件配置，方便工程管理。

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