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車輛零組件電磁兼容試驗方法介紹

一、前言
由於國內(nèi)車輛電子發(fā)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(nèi)部或外部的電磁擾動（disturbance），輕者可能影響產(chǎn)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(guī)與標(biāo)準(zhǔn)
國際間之車輛EMC法規(guī)包含聯(lián)合國歐洲經(jīng)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(guī)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(guī)第六條之規(guī)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(tǒng)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(gòu)證明其所有相關(guān)電機/電子系統(tǒng)或電機/電子裝置已依照此法規(guī)獲得認證，並依其相關(guān)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(dǎo)性兩種，輻射性干擾是指擾動能量不藉由任何傳輸介質(zhì)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(dǎo)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(tài)包含連續(xù)波與暫態(tài)波兩種，再依輻射性與傳導(dǎo)性這兩種可能的耦合方式，可將耐受試驗方法細分為連續(xù)波傳導(dǎo)、連續(xù)波輻射、傳導(dǎo)暫態(tài)及ESD （Electro Static Discharge）四大類，這四大類的試驗方法如下述：
（一） 連續(xù)波傳導(dǎo)試驗法：
較低頻段的擾動能量不易藉由輻射來傳遞，以傳導(dǎo)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(jīng)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(dǎo)耐受試驗法[3]等，相關(guān)的國際法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)如表二所示。

（二）連續(xù)波輻射試驗法：
此試驗的方式是藉由各種發(fā)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(dǎo)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(guān)的國際法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)如表三所示。

（三）傳導(dǎo)暫態(tài)（叢訊）試驗法[10]：
暫態(tài)現(xiàn)象是由一個穩(wěn)態(tài)切換至另一個穩(wěn)態(tài)時，所發(fā)生極短時間之瞬時變化現(xiàn)象。此類試驗法即為將此暫態(tài)現(xiàn)象，藉由待測件的電源線或信號線，傳導(dǎo)至待測件上，再觀察待測件對於暫態(tài)現(xiàn)象的耐受能力，相關(guān)的國際法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)如表四所示。

（四） 靜電放電試驗法[11]：
此類試驗法為直接經(jīng)由接觸放電或間接經(jīng)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(guān)的國際法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)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(huán)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(huán)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(huán)境，如此才能得到正確的試驗結(jié)果。由於相關(guān)試驗方法甚多，以下僅以法規(guī)及ISO國際標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定為主做介紹。
（一）    連續(xù)波傳導(dǎo)試驗法:
ECE與EEC法規(guī)皆有採用BCI試驗法，此BCI試驗法是車輛領(lǐng)域?qū)Ｓ械脑囼灧?。至於射頻能量直接注入試驗法可執(zhí)行更細部的試驗，法規(guī)並無規(guī)定。以上兩項試驗方法介紹如下：
1. BCI 試驗法：
一般車輛內(nèi)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(fā)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(tǒng)、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(jīng)由電流注入夾具，直接感應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)在隔離室內(nèi)進行，以獲得正確的測試結(jié)果。一般BCI試驗法所適用的頻率範(fàn)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(jiān)視系統(tǒng)。 5.電源供應(yīng)器。 6.人造電源網(wǎng)路。 7.光纖。
8.射頻儀器。 9.射頻監(jiān)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(nèi)其他的零件，可能會產(chǎn)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(zhí)行耐受試驗。
射頻能量直接注入試驗法應(yīng)在隔離室中執(zhí)行，所適用的頻率範(fàn)圍為0.25MHz到400MHz（或延伸至500MHz），設(shè)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(chǎn)生器。 2.RF放大器。 3.頻譜儀或功率計。 4.RF取樣設(shè)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(shè)備。
註：BAN （Broadband Artificial Network）

（二）    連續(xù)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(dǎo)波線試驗法在ECE與EEC法規(guī)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(chǎn)生外洩。導(dǎo)波線則包含150mm，以及800mm兩種高度的規(guī)格，150mm的導(dǎo)波線試驗對象侷限於線路，800mm規(guī)格的導(dǎo)波線則可將待測件放入導(dǎo)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(dǎo)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(xù)波源之?dāng)_動能量至DUT上，此試驗法無法針對單一DUT來執(zhí)行測試，而必須是功能完整的次系統(tǒng)（包含電源線路、訊號線路及相關(guān)裝置。），由於電波暗室之空間較大，可容納較大型尺寸的DUT執(zhí)行試驗，因此較容易使用CCTV或其他監(jiān)視裝置來觀察DUT的動作特性。電波暗室內(nèi)佈置有吸收體，可用來吸收暗室內(nèi)部之反射電磁波，亦可用來阻隔外在電磁、氣候等環(huán)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(guī)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(fàn)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(fàn)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(chǎn)生器。 2.放大器。 3.bulkhead連結(jié)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(wǎng)路。 9.測試桌。 10.電波暗室。


圖3b : 自由場試驗法之試驗配置側(cè)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(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4a所示，可傳輸橫向電磁模態(tài)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(jīng)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(nèi)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(fàn)圍為從0.01MHz到200MHz或更高，結(jié)構(gòu)如圖4a所示，試驗配置如圖4b所示。

圖4a : TEM cell之結(jié)構(gòu)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(jié)端。
6,8.介質(zhì)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(chǎn)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(jiān)測系統(tǒng)。 8.待測件。9.介質(zhì)支撐件。 10.具隔離引線。 11.人造網(wǎng)路。 12.電源供應(yīng)器。

3. 導(dǎo)波線（Strip line）試驗法：
導(dǎo)波線包含150mm以及800mm兩種的高度規(guī)格，可分別將車輛零組件的線束及待測件放入導(dǎo)波線中測試。導(dǎo)波線試驗法的限制為待測件本體或待測線路zui大的直徑尺寸僅能為導(dǎo)波線高度的三分之一或更小，且須於隔離室內(nèi)執(zhí)行測試。導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備。4.終端阻抗。5.隔離支撐架（介質(zhì)係數(shù)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(fàn)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(chǎn)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(wǎng)路。 9.測試臺。 10.電波暗室。

圖6b : 平行板天線試驗法之試驗配置側(cè)視圖

（三）    傳導(dǎo)暫態(tài)（叢訊）試驗法:
ECE與EEC法規(guī)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(fā)生暫態(tài)變化的機會相當(dāng)大，如引擎起動瞬間，常會發(fā)生電源暫態(tài)變化的現(xiàn)象，待測件很容易因此發(fā)生故障。傳導(dǎo)暫態(tài)試驗法介紹如下：
1. 12V電力系統(tǒng)電源線電力傳導(dǎo)電暫態(tài)試驗法：
電力傳導(dǎo)暫態(tài)試驗?zāi)康臑榇_保使用12V系統(tǒng)之設(shè)備其電源線對傳導(dǎo)電暫態(tài)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(tǒng)的電氣裝置，皆適用此試驗法。
產(chǎn)生波型的測試脈波產(chǎn)生器，須可產(chǎn)生「測試位準(zhǔn)」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(chǎn)生的暫態(tài)現(xiàn)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(chǎn)生暫態(tài)波型；c.模擬開關(guān)切換過程而產(chǎn)生的暫態(tài)波型；d.模擬內(nèi)燃機之啟動馬達於運轉(zhuǎn)時所引起的供電電壓下降現(xiàn)象；e.模擬負載傾注（load dump）的暫態(tài)波；f.模擬點火線圈中之電流中斷的瞬間所產(chǎn)生的暫態(tài)波；g.模擬引擎關(guān)閉瞬間交流磁場衰退效應(yīng)。
暫態(tài)波耐受試驗配置如圖7所表示，圖7中開關(guān)T切斷時，設(shè)定測試脈波產(chǎn)生器以提供的脈波極性、振幅、持續(xù)期間和電阻值，接著藉由開關(guān)T的閉合，使待測裝置連接到脈波產(chǎn)生器，如果電源供應(yīng)器已整合在測試脈波產(chǎn)生器中，則此切換動作可由產(chǎn)生器來執(zhí)行。

圖7 : 12V系統(tǒng)電源線電力傳導(dǎo)電暫態(tài)試驗法之試驗配置圖

2. 24V電力系統(tǒng)電源線電力傳導(dǎo)電暫態(tài)試驗法：
24V系統(tǒng)設(shè)備之電力傳導(dǎo)電暫態(tài)試驗同於12V系統(tǒng)所做的測試，只是暫態(tài)波耐受測試之波形有部分不相同。車輛上使用24V電力系統(tǒng)的電氣裝置，皆適用此試驗法。
產(chǎn)生波型的測試脈波產(chǎn)生器，須可產(chǎn)生「測試位準(zhǔn)」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(chǎn)生的暫態(tài)現(xiàn)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(chǎn)生暫態(tài)波型；c.模擬開關(guān)切換過程而產(chǎn)生的暫態(tài)波型；d.模擬內(nèi)燃機之啟動馬達於運轉(zhuǎn)時所引起的供電電壓下降現(xiàn)象；e.模擬負載傾注的暫態(tài)波。
3. 12V/24V系統(tǒng)非電源線電力傳導(dǎo)電暫態(tài)試驗法：
此試驗法是對車輛上之零組件，耦合暫態(tài)波到非電源線之導(dǎo)線上。依據(jù)ISO7637-3，此測試共兩種測試波型，主要為模擬因開關(guān)切換過程所產(chǎn)生的暫態(tài)波，測試暫態(tài)波由測試脈波產(chǎn)生器生成後，經(jīng)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(tǒng)非電源線電力傳導(dǎo)暫態(tài)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(yīng)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(chǎn)生器。

（四）    靜電放電試驗法:
ECE與EEC法規(guī)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(yīng)方式而產(chǎn)生靜電荷之傳送，此即為靜電放電的形式。在實際的環(huán)境中，人體會發(fā)生靜電荷儲存的現(xiàn)象，人體接觸到車輛零組件，會發(fā)生靜電荷之傳送，此靜電能量可能使車輛零組件發(fā)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(shè)計成的模擬器，將擾動能量轉(zhuǎn)移到待測裝置上，以確認產(chǎn)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(yīng)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(jié)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?dāng)_動能量型態(tài)為連續(xù)波或為暫態(tài)波，以及擾動能量之傳遞路徑為輻射性或為傳導(dǎo)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(huán)境及使用方法等參數(shù)，來選擇適合的試驗法。
以世界潮流來看，車輛零組件執(zhí)行EMS試驗已是國際趨勢，也是確保產(chǎn)品品質(zhì)的重要工作之一。就確保產(chǎn)品之使用安全性，使其符合國際標(biāo)準(zhǔn)，以提昇產(chǎn)品競爭優(yōu)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(biāo)。

參考文獻
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