Předcertifikační testy EMC strategie a možnosti realizace Jiří Svačina Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně svacina @ feec.vutbr.cz 1
Předcertifikační (předběžné, předvýrobní) testy EMC (pre-compliance tests) Co je to? 2
Neexistuje přesná a jednoznačná definice (každý test, který není plně certifikovaný, tj. neprobíhá přesně dle požadavků příslušných norem EMC) Musí být realizovány tak, aby získané výsledky mohly být považovány za dostatečně věrohodné Odchylky od standardizovaných postupů mají proto být relativně malé a v méně důležitých oblastech S každou odchylkou od normou předepsaných pod- mínek či postupů roste neurčitost (chyba) měření a klesá věrohodnost předcertifikačních testů 3
Proč tedy provádět předcertifikační testy EMC? Základní výhodou je realizace (zjednodušených) testů EMC přímo ve firmě, na pracovišti (tzv. in-house testing) 4
Možnost opakovaných testů zařízení jako celku a všech jeho dílčích částí během celého vývoje zvýšení vnitřní úrovně EMC zařízení a jeho celkové kvality. Zkrácení doby vývoje zařízení a celkové doby do jeho uvedení na trh (odpadnou opakované testy ve zkušebně EMC). Úspora nákladů většina problémů EMC je identifikována a opravena ještě před plnou certifikací ve zkušebně EMC. 5
Jsou předcertifikační testy aktuální Trvale rostoucí zájem výrobních firem a vývojových organizací. Společnosti si vytvářejí vlastní předcertifikační testovací pracoviště EMC,, příp. vyhledávají tyto služby Orientace významných výrobců měřicí techniky (Agilent, Rohde & Schwarz, Schaffner, Laplace Instruments, York EMC Services apod.) na speciální systémy pro předcertikační testy EMC. Většinou předcertifikační testy EMI,, méně EMS. 6
Hlavní oblasti,, v nichž se předcertifikační testy mohou odchylovat od plných testů EMC: technické parametry použitých měřicích (testovacích) zařízení a přístrojů nesplňují normu CISPR 16-1 použité testovací metody, příp. postupy, se odchylují od požadavků příslušných norem vhodnost použitého měřicího místa (test( site area), kombinace předchozích odchylek. Čím více důležitých odchylek, tím větší je ne- přesnost, příp. neurčitost předcertifikačního testu. 7
1. Technické parametry použitých přístrojů Nejsou dominantním zdrojem odchylek předcertifikačních testů od plných testů EMC současné přístroje pro předcertifikační testy EMC vyhovují většině požadavků normy CISPR 16-1 Hlavní parametry,, které by měly být splněny: kalibrovaný snímač rušivých signálů pro po- žadovaný rozsah kmitočtů (anténa, proudová sonda, LISN, absorpční kleště aj.) včetně spojovacích kabelů měřicí přijímač (měřič rušení, analyzátor) pro daný kmitočtový rozsah s preselektorem, předepsanými šíř- kami pásma a detektory (P, QP, AV) dle CISPR 16 8
Orientační měření EMI lze uskutečnit i při nedodržení některých požadavků CISPR 16-1 (zejména zejména při měření úzkopásmových rušivých signálů) Šířky mf. pásma 200 Hz, 9 khz, 120 khz,, příp. 1 MHz. Rozsah kmitočtů Šířka propustného pásma p měřiče e rušen ení 9 150 khz 200 Hz 150 khz 30 MHz 9 khz 30 1000 MHz 120 khz > 1 GHz 1 MHz Měření s jinými šířkami mf. pásma (běžně např. 10 a 100 khz) je možné, výsledky však nelze přímo porovnat s údaji norem. 9
Špičkový (P), kvazi-špičkový (QP)a a střední (AV) ) detektor K některým měřením postačí jen použití špičkového detektoru (P).( Jsou-li změřené hodnoty menší než po- volené meze rušení (udané v kvazi-špičkových či střed- ních hodnotách), je měření dostačující a není nutno provádět měření s dalšími typy detektorů. Naměřené hodnoty QP, příp. AV by těmto mezím totiž rovněž určitě vyhověly. Pro úzkopásmové rušivé signály je QP P. P Odezva špičkového detektoru je vždy časově nejrychlejší. Pro korektní měření širokopásmového ru- šení je však nutno použít QP detektor. 10
11
Velmi častým technickým vybavením pro necertifikovaná měření a předcertifikační testy jsou speciální měřicí sondy pro měření blízkého elektrického, příp. magne- tického pole. Tyto malé ruční ( očichávací ( očichávací )) antény se užívají zejména při vývoji a diagnostice elektronických zařízení pro sledování vyzařování součástek a bloků přímo uvnitř vyvíjeného zařízení, pro co nejpřesnější dislokování zdroje rušivého signálu, příp. pro zjišťování míst elektromagnetických netěsností ve stínicích krytech. 12
Měření nejsou regulována žádnými normami.. Jde jen o zjištění relativní míry rušivého vyzařování v daném místě či v daném obvodu. 13
2. Testovací metody, příp. postupy Obvykle se (úmyslně) neodchylují od požadavků norem pro plné testy EMC Případné odchylky souvisejí spíše s odchylkami technických parametrů použitých přístrojů (viz předchozí bod) s vhodností (nevhodností) použitého měřicího místa podlaha (nikoli zemnicí plocha) 14
3. Testovací místo (test site area) Jde o dominantní a nejčastější zdroj odchylek před- certifikačních testů od plných testů EMC. Předcertifikační měření neprobíhá v bezodrazových ko- morách (anechoic / semi-anechoic room), ani (obvykle) ve stíněných komorách,, ale na běžných pracovištích, příp. volném prostranství (OATS( OATS), která však nevyhovují požadavkům normy CISPR 16-1 na parametry měřicího stanoviště. Hlavními příčinami této volby necertifikovaných měřicích míst jsou důvody ekonomické, finanční a prostorové. 15
Dva hlavní problémy necertifikovaných měřicích stanovišť: přítomnost vnějších rušivých signálů (rušivé elektromagnetické pozadí) (background ambient interference) zkreslení měření vlivem nedokonalostí měřicí- ho místa (test-site site distortion) Oba tyto faktory jsou vzájemně nezávislé a je nutno je řešit samostatnými vzájemně se nevylučujícími postupy. 16
Vnější rušivé signály 17
Jsou hlavním zdrojem nepřesností předcertifikač- ních testů vyzařovaného i vedeného rušení. Při měření je nutno odlišit (separovat) vnější rušivé signály od měřených signálů z testovaného objektu (EUT( EUT). V městských lokalitách mohou vnější rušivé signály (roz- hlasové a TV vysílání, rádiová komunikace, energetická rušení) zcela zakrýt měřené signály EUT; jejich úroveň může přesáhnout emisní meze EUT o 30 až 40 db. Vnější rušivé signály tak mohou způsobit chyby předcerti- fikačních měření až několik desítek db. 18
Čtyři metody (postupy) respektování vnějších rušivých signálů: 1. Odladění vnějších rušivých signálů (off-tuning the EMI receiver) Kmitočet, příp. šířka pásma měřicího přijímače (analyzá- toru) se nastaví tak, aby se odladil (odfiltroval) vnější rušivý signál, ale ne měřený signál EUT. Metoda je spolehlivá zejména u úzkopásmových signálů a pro takové vnější signály, jejichž kmitočty jsou různé od kmitočtů měřených signálů EUT. V některých případech lze úroveň rušení odhadnout i v případě rušení na stejných kmitočtech. 19
2. Substituce vnějších rušivých signálů (signal substitution) 1.varianta: Na zvoleném kmitočtu se uskuteční měření: signál EUT + vnější rušení. EUT se nahradí signálním generátorem a vhodnou anté- nou. Úroveň signálu z generátoru se nastaví tak, až na měřicím přijímači bude stejná měřená úroveň. Pak výkon vyzařovaného signálu EUT P r (bez vnějšího rušení) [ ] = [ ] [ ] [ ] P dbm P dbm L db + r G G TA db P G výstupní výkon signálního generátoru, L útlum kabelu mezi generátorem a anténou TA zisk vysílací antény G TA 20
2.varianta: Na zvoleném kmitočtu se uskuteční měření: signál EUT + vnější rušení. EUT se vypne a signální generátor se připojí přímo k měřicímu přijímači (ten stále přijímá vnější rušivé signály). Úroveň signálu z generátoru se nyní nastaví tak, až údaj měřicího přijímače bude stejný jako při vlastním měření. Pak výkon vyzařovaného signálu EUT P r (bez vnějšího rušení) P r [ dbm ] = P [ dbm ] L[ db] G P G L výstupní výkon signálního generátoru, útlum kabelu mezi generátorem a přijímačem Měření je cca dvojnásobně rychlejší než 1. varianta. 21
3. Zkrácení měřicí vzdálenosti Zkrácení měřicí vzdálenosti mezi EUT a měřicí anténou zvětší relativně velikost měřených signálů EUT vůči vnějším rušivým signálům. Např. zkrácením měřicí vzdálenosti z 10 m na 3 m (příp. ze 3 m na 1 m) se zvětší intenzita elektrického pole měřeného signálu EUT o 10 db. Obdobně je nutno přepočítat mezní hodnoty (limity) stanovené normami. Při zkrácení měřicí vzdálenosti na méně než 1 m mohou být výsledky měření nesprávné vzhledem k měření v blízké zóně elektromagnetického pole. 22
4. Lineární subtrakce (odečítání) měřeného a rušivých signálů 1. krok: EUT je vypnuto, S je v poloze Normal,, na vstup přijímače jsou přiváděny jen vnější rušivé signály ve zvo- leném frekvenčním pásmu. 2. krok: S se přepne do polo- lohy Hold,, vstupní vnější ruši- vé signály jsou digitalizovány a uloženy do paměti přijímače. 3. krok: EUT se zapne, S se přepne do polohy Difference,, na vstup přijímače jsou nyní přivedeny měřené signály EUT + vnější rušivé signály. DiffAmp realizuje rozdíl aktuálního signálu (EUT( + rušení) ) a signálu uloženého v paměti přijímače (rušení( rušení). 23
[ ] R () t Napětí na výstupu DiffAmp U ( t ) = S () t + R () t S R d R h měřený rušivý signál emitovaný EUT aktuální rušivý signál (režim Difference) rušivý signál uložený v paměti přijímače (režim Hold), Při R h R d je (indikované) napětí prakticky rovno měřenému rušení emitovanému EUT virtuální EM nerušený prostor d h jen vnější rušení EUT + vnější rušení 250 300 350 jen vnější rušení EUT + vnější rušení lineární diference = skutečné rušení EUT 250 300 350 24
Praktické ověření pomocí tzv. nulové emise Tue 20 Feb 2007 vnější rušivé signály skutečný průběh 25
Širokopásmový šumový rušivý signál Tue 20 Feb 2007 šumový signál měřený signál v režimu Difference 26
Měření v užším kmitočtovém pásmu při QP detekci vnější rušivé signály, QP detekce Wed 21 Feb 2007 měřený signál v režimu Difference 27
Podmínky správné funkce: Vnější rušivé signály (EM pozadí) musí být časově a kmitočtově stabilní.. Přechodná rušení nejsou dostatečně eliminována. Proměnlivost rušivého pozadí je hlavní příčinou toho, že výsledky potlačení nejsou vždy dostatečné. Ke zlepšení je vhodné celý proces (načtení i odečet) ně- kolikrát opakovat a měřit raději v užším pásmu kmitočtů. Rozdílové měření (Difference) je vhodné provést vždy bezprostředně po načtení EM pozadí do paměti (Hold). Měřicí přijímač musí pracovat v lineárním režimu vůči měřeným signálům i vůči vnějšímu rušení. 28
Dokonalejší varianta eliminace vnějších rušivých signálů hlavní zdroje vnějšího rušení referenční přijímač měřicí přijímač 29
Nedokonalosti měřicího místa Na nedokonalém měřicím pracovišti vzniká mnoho odrazů signálů emitovaných EUT a tyto odrazy mohou značně ovlivnit výsledky měření. Vlnění přichází k měřicí anténě po mnoha odrazech po různých drahách, tj. s různými fázovými posuvy.. Jejich vektorovým součtem vzniká v místě antény výsledné pole. Tímto mnohocestným šířením vlivem odrazů dochází k neurčitosti měření až několik desítek db. Problém lze řešit kalibrací měřicího pracoviště pomocí speciálních přesně kalibrovaných zdrojů signálů. 30
Speciální signálové zdroje ERS Emissions Reference Source CNE Comparison Noise Emitter CSS Comparison Signal Source Jsou to generátory přesných signálů pro příslušný rozsah kmitočtů (např. od 1 MHz do několika GHz) ) realizované buď jako širokopásmový zdroj bílého šumu (CNE( CNE), nebo jako tzv. comb generátory generující husté spektrum kmitočtových složek (např. s odstupem 2 MHz,, příp. 10 MHz). Tyto zdroje mají vysokou dlouhodobou stabilitu a jsou přesně ka- librovány v profesionálních bezodrazových komorách pro určitou měřicí vzdálenost (často 3 m) v obou polarizačních rovinách (vertikální( a horizontální). 31
ERS CNE 32
Před vlastním měřením se provede kalibrace měřicího pracoviště pomocí referenčního zdroje signálů (ERS( ERS). Každý referenční zdroj je dodáván se svými kalibračními daty (kalibrační křivkou) změřenými na ideálním stanovišti. Měřením signálů ERS na použitém (= neideálním) pracovišti získáme jiné hodnoty dat (intenzit pole). Jejich odchylka od dodaných (ideálních) kalibračních dat je dána neideálností užitého měřicího pracoviště a dalšími faktory v měřicím řetězci včetně antény a měřicího přijímače. Rozdíl ideálních (dodaných) a naměřených hodnot pole referenčního zdroje (ERS) lze tedy na jednotlivých měřicích kmitočtech použít jako korekci pro vlastní měření rušivých signálů EUT. 33
Většina moderních měřicích přijímačů (měřičů rušení) umožňuje vložit kalibrační data ERS,, takže přijímač ví, co by měl měřit.. Vlastní měření za použití referenčního zdroje signálů pak probíhá ve dvou krocích: 1. krok: Zdroj ERS se umístí do místa budoucího EUT a proměří se jím vyzařované spektrum na daném pracovišti.. Rozdílem (v db) naměřených hodnot a uložených kalibračních dat se určí korekční hodnoty na jednotlivých kmitočtech. 2. krok: Korekční hodnoty se aplikují (automaticky či ručně ) na změřené hodnoty rušivých signálů EUT při standardním měření. 34
Podmínky správného měření: Při všech měřeních (kalibračním i měření EUT) musí být dodržena měřicí vzdálenost (obvykle 3 m), m pro niž platí kalibrační data referenčního zdroje. Při obou měřeních (kalibračním i měření EUT) musí být zachována stejná úprava pracoviště (rozmístění nábyt- ku, vodivých ploch, přístrojů, kabelů apod.). Při kalibračním měření musí být referenční zdroj (ERS( ERS) umístěn přesně do místa,, kde bude umístěno EUT. Je-li užité měřicí pracoviště hodně neideální, je požadavek dodržení polohy ERS/EUT a měřicí antény kritický.. I malá změna této polohy při vlastním měření způsobí velké změny ve výsledcích měření. 35
Při měření v otevřeném prostoru (OATS) jsou největším zdrojem chyb vnější rušivé signály.. Ty působí během obou kroků kalibrace/měření a nelze je popsanou kalibrací pracoviště eliminovat. Vnější rušení tak musí být odstra- něno ještě před kalibrací pracoviště. Technika kalibrace pracoviště poskytuje velmi dobré výsledky při měření vyzařovaného rušení zejména malých objektů (rozměrově srovnatelných s ERS). V případě velkých objektů EUT je přesné umístění ERS a tím i přesnost korekce problematičtější. Popsaným postupem pomocí ERS lze i pro velmi špatná měřicí pracoviště (kde korekce dosahují hodnot až kolem 20 db) obvykle zmenšit výslednou chybu měření (vůči výsledkům v bezodrazové komoře) pod 4 až 6 db. 36
Závěr Předcertifikační testy EMC jsou užitečné,, neboť jsou operativní, lze je realizovat v místě pracoviště, jsou relativně levné a snižují náklady na vývoj zařízení, mohou být poměrně přesné, jsou přiměřeně složité, příp. relativně jednoduché. Různými metodami a postupy lze výsledky předcerti- fikačních testů EMC poměrně výrazně zpřesnit, ale nemohou nikdy plně nahradit plně certifikovaná měření 37
Pre-compliance test Děkuji za pozornost.. a za trpělivost 38