電子電器產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計平臺開發(fā)及應(yīng)用

張薇琳

【摘 要】本文目的在于構(gòu)建各種電子電器產(chǎn)品的電磁兼容分析評估模型，建立一個電磁兼容預(yù)設(shè)計平臺，普及和規(guī)范電磁兼容設(shè)計技術(shù)，提高電子電器產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)水平及在國際市場的競爭力。以高頻大功率開關(guān)電源作為平臺的使用案例，說明該平臺基本達(dá)到設(shè)計目的。

【關(guān)鍵詞】電子電器；電磁兼容；模型；數(shù)據(jù)庫；預(yù)設(shè)計

0 引言

我國在電磁兼容領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)水平不高、經(jīng)驗積累不足[1]。目前我國的電子電器企業(yè)普遍缺乏科學(xué)有效的電磁兼容設(shè)計能力，由此帶來的許多問題制約了電子電器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期延長、研發(fā)和生產(chǎn)成本提高、競爭力下降；有些產(chǎn)品無法通過嚴(yán)格的國際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)（如CE、FCC），面臨巨大的電磁兼容技術(shù)壁壘，從而大大影響了產(chǎn)品出口。為此，企業(yè)強(qiáng)烈需求行之有效的電磁兼容設(shè)計、分析、檢測、控制技術(shù)和培訓(xùn)。

1 電子電器產(chǎn)品電磁兼容意義

電磁電磁兼容性是電子電器產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)之一。如果在產(chǎn)品開發(fā)階段解決電磁兼容問題所需費用為1，那么等產(chǎn)品定型后再想辦法解決，費用將是10倍；若到產(chǎn)品批量生產(chǎn)后解決，費用將是100倍；若到用戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題后解決，費用可能是1000倍。如果在產(chǎn)品的開發(fā)階段，同時進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計，就可以把80%～90%的電磁兼容性問題解決在產(chǎn)品定型之前[2]。

隨著電子電器產(chǎn)品制造技術(shù)的飛速發(fā)展，實際應(yīng)用中的各類電子電器產(chǎn)品的電磁干擾和互相不兼容問題日益突出。工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都把電磁干擾的控制納入國家法制管理和環(huán)境保護(hù)的范圍。90年代以來，許多國家都相繼頒布相關(guān)法令、管理規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)等，對電工、電子設(shè)備的生產(chǎn)和市場流通，以及從事有電磁輻射活動的臺站或企業(yè)的建立實行全面管理和監(jiān)督。

我國政府對電磁兼容事業(yè)相當(dāng)重視，先后發(fā)布了83項電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)，其中強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)29項。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于1999年發(fā)布了《電磁兼容認(rèn)證管理辦法》，并于2000年發(fā)布了《第一批實施電磁兼容安全認(rèn)證的產(chǎn)品目錄》。對目錄中所涉及的產(chǎn)品實施EMC安全認(rèn)證制度，這些產(chǎn)品在進(jìn)入流通領(lǐng)域時將進(jìn)行強(qiáng)制性監(jiān)督管理。

2 電磁兼容預(yù)設(shè)計平臺的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能

該平臺集成了電磁兼容的各類標(biāo)準(zhǔn)庫、分析模型庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、測試技術(shù)、設(shè)計技術(shù)，并對這些知識源的知識進(jìn)行選擇、匯集、分類和組織，根據(jù)其特點融入系統(tǒng)，實現(xiàn)對電磁兼容知識的查詢、解釋的功能，解決設(shè)計中的常見問題、指導(dǎo)產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計等問題。

2.2 系統(tǒng)各部分

登錄成功后，進(jìn)入了電磁兼容預(yù)設(shè)計平臺可以看到系統(tǒng)軟件的具體項目：仿真平臺、仿真設(shè)計、檢測導(dǎo)航、EMC標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫維護(hù)、設(shè)置。

仿真設(shè)計部分包括三部分：仿真設(shè)計準(zhǔn)則、仿真實例、整改措施。根據(jù)所選擇的電子電器產(chǎn)品，給出需要進(jìn)行的檢測方法、連接模版圖、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等信息，指導(dǎo)用戶進(jìn)行測試分析。如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫部分包括EMC基礎(chǔ)知識庫、EMI庫、EMS庫與產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)等。如圖2和圖3所示。

3 平臺應(yīng)用案例

電子電器家用電器產(chǎn)品有其自身的特性，涉及整流、逆變、電機(jī)、微處理器等部件，要實現(xiàn)電磁兼容預(yù)設(shè)計，進(jìn)行EMC仿真分析和計算分析是必需的，而電路和器件EMC分析模型的建立是一個難點[3，4]。

以開關(guān)電源為例，采用全波有限元算法計算10次諧振頻點，及諧振電壓分布。芯片電源頻率掃描分析在20kHz時如圖4所示。由于本文開關(guān)電源的主頻和諧波都不會達(dá)到GHz以上，20kHz頻率較低，所以本開關(guān)電源的PCB控制板電磁兼容。

對變壓器建模仿真，從結(jié)果中可以看出散熱器和輸出銅排上產(chǎn)生了嚴(yán)重的感應(yīng)渦流，變壓器漏磁的存在，降低了變壓器的工作效率。

對現(xiàn)有殼體進(jìn)行屏蔽仿真，輸入輸出口、通風(fēng)處電場分布特性分別如圖6所示。從結(jié)果看出通風(fēng)處，輸入輸出處均可能產(chǎn)生電磁泄露。

由FLOEMC建模分析殼體屏蔽效能，在機(jī)殼內(nèi)設(shè)置導(dǎo)線為輻射源，建模和觀測點場強(qiáng)如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出位于殼體外的觀察點處有嚴(yán)重的電磁輻射存在，此時電纜成為引起輻射的干擾源。

根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)果，采取了濾波、布局優(yōu)化、接地屏蔽等措施，可以使得開關(guān)電源電磁兼容問題得到明顯改善[4]。加優(yōu)化濾波電路使得電源線輸入端傳導(dǎo)干擾整體下降15～35db，對元器件布局及走線進(jìn)行重新規(guī)劃，接地及屏蔽優(yōu)化使得電源線輸入端共模傳導(dǎo)干擾整體下降10～20db。

4 總結(jié)

近場電場屏蔽的必要條件是采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體并接地；接地良好的屏蔽體還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)場電磁屏蔽。電磁騷擾入侵屏蔽體的主要途徑是輸入輸出接口和電源線輸入口[5]。

該平臺能夠較好的構(gòu)建各種日用電器及電子電器產(chǎn)品的電磁兼容分析、評估模型，進(jìn)行全系統(tǒng)級電磁兼容預(yù)設(shè)計。后續(xù)工作需構(gòu)建完備的電磁兼容案例數(shù)據(jù)庫，并針對各家用電器研究提出各分系統(tǒng)的電磁兼容指標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵小桃，電磁兼容與PCB設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]周宇英，梁茹，黃炳賀，黃瑞建，廣東省日用電器及電子電器產(chǎn)品電磁兼容現(xiàn)狀調(diào)研[J].安全與電磁兼容，2009（2）.

[3]Jean-Philippe Parmantier. Numerical Coupling Models for Complex Systems and Results， IEEE Trans. on EMC 2004，46（3）：359-367.

[4][1]B. Archambealt， C. Brench and O. M. Ramabi. EMI/EMC Computational Modeling Handlbook[M].Second Edition.Kluwer Academic Publishers， 2001.

[5]周志敏，紀(jì)愛華.電磁兼容技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[責(zé)任編輯：王偉平]