基于電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的電磁兼容問(wèn)題分析及對(duì)策

摘 要：基于EMC的“電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型”進(jìn)行電磁兼容性分析能夠?yàn)閮?yōu)化設(shè)備性能提供準(zhǔn)確的模型依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)此，本文以工程案例為試驗(yàn)載體，通過(guò)“劃分風(fēng)險(xiǎn)單元-確定風(fēng)險(xiǎn)要素程度-列出風(fēng)險(xiǎn)矩陣”等步驟，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了案例中的不足?；凇半姶偶嫒蒿L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型”進(jìn)行整改優(yōu)化后的結(jié)果表明，輸入差模電感和電容容量是影響電磁兼容性的關(guān)鍵硬件設(shè)備，同時(shí)接地線(xiàn)也會(huì)對(duì)電磁兼容性產(chǎn)生影響，接地線(xiàn)“越粗越短”，電磁兼容性越好。結(jié)果表明，基于電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的電磁兼容分析能夠?yàn)楫a(chǎn)品故障處理提供解決方案，使產(chǎn)品得到快速改進(jìn)與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；EMC；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；整改策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 03 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）即在電磁環(huán)境中，設(shè)備和系統(tǒng)不受外界環(huán)境影響正常工作的能力[1]，要求在實(shí)際生產(chǎn)工況中，設(shè)備和系統(tǒng)能夠在電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，并具備一定的電磁抗干擾強(qiáng)度，不會(huì)因外部環(huán)境干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作，并且設(shè)備及系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁干擾也不會(huì)對(duì)周邊其他產(chǎn)品產(chǎn)生影響。在此背景下，電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠?qū)﹄姶怒h(huán)境的影響特性進(jìn)行定量和定性描述，因此本文結(jié)合案例進(jìn)行了分析與探討。

1 電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是為電磁硬件提供基于物理模型分析的數(shù)值評(píng)估方法，具有實(shí)用性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的特點(diǎn)[2]，目前《電磁兼容可靠性評(píng)估導(dǎo)則》GB/Z37150—2019及《電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估第1部分：電子電氣設(shè)備》GB/T38659.1—2020等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)其有所介紹。該方法廣泛應(yīng)用于正向EMC產(chǎn)品設(shè)計(jì)及維修后的產(chǎn)品性能評(píng)估。方法核心是探究共模電流對(duì)產(chǎn)品EMC性能特性的影響，進(jìn)而在實(shí)際值與理想模型性能值的不斷比較中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在電磁兼容設(shè)計(jì)中存在的不足和薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提升產(chǎn)品的改進(jìn)效果。

2 某型產(chǎn)品功能和電磁兼容要求

某型電源組件功能框圖如圖1所示，其產(chǎn)品輸入DC 22V～30V，后級(jí)為7路不同功率輸出。產(chǎn)品裝入整機(jī)后需要滿(mǎn)足要求，并通過(guò)DO-160G規(guī)定的磁效應(yīng)試驗(yàn)、音頻傳導(dǎo)敏感性試驗(yàn)、感應(yīng)信號(hào)敏感性試驗(yàn)、射頻敏感性（輻射和傳導(dǎo)）試驗(yàn)、射頻能量發(fā)射試驗(yàn)、靜放電試驗(yàn)等電磁兼容性試驗(yàn)，基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估識(shí)別出干擾源主要為開(kāi)關(guān)電源，集中在開(kāi)關(guān)電路與輸出整流電路的高dV/dI和dI/dt中?？赏ㄟ^(guò)劃分風(fēng)險(xiǎn)單元中的整體改進(jìn)方法，采用吸收電路、濾波、布線(xiàn)、屏蔽、接地，密封等技術(shù)減少干擾[3]。在硬件方面，主要通過(guò)反接保護(hù)、浪涌抑制、濾波輸入、開(kāi)關(guān)控制、隔離轉(zhuǎn)換、濾波輸出處理以及殼體設(shè)計(jì)搭接線(xiàn)，同時(shí)對(duì)其他輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，來(lái)滿(mǎn)足整機(jī)的電磁兼容性。

3 電磁兼容案例的問(wèn)題現(xiàn)象及排查過(guò)程

3.1 問(wèn)題現(xiàn)象

某型電源組件在客戶(hù)端進(jìn)行摸底測(cè)試時(shí)，根據(jù)DO-160G規(guī)定依次完成了磁效應(yīng)試驗(yàn)、音頻傳導(dǎo)敏感性試驗(yàn)、感應(yīng)信號(hào)敏感性試驗(yàn)、射頻敏感性（輻射和傳導(dǎo)）試驗(yàn)、靜放電試驗(yàn)等電磁兼容性試驗(yàn)。但進(jìn)行射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗(yàn)）測(cè)試時(shí)，根據(jù)波形數(shù)值分析可知，射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗(yàn)）存在超標(biāo)情況。同時(shí)由于設(shè)備自身在運(yùn)行中已經(jīng)選用了電源濾波器，但是受制于設(shè)備硬件內(nèi)部空間的限制，濾波器的輸入線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)，并且現(xiàn)有的局部空間已無(wú)法再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，因此只能采取物理防御的方法進(jìn)行電磁抗干擾操作[4]。后采用“屏蔽機(jī)箱”、接地等相關(guān)措施對(duì)該案例設(shè)備進(jìn)行了電磁防御，但由于設(shè)備硬件沒(méi)有安裝在理想位置，導(dǎo)致電源濾波器的參數(shù)引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，因此電源傳導(dǎo)發(fā)射的運(yùn)行結(jié)果不理想。同時(shí)由于信號(hào)線(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行濾波處理，也導(dǎo)致電場(chǎng)輻射發(fā)射的運(yùn)行結(jié)果不理想，出現(xiàn)較嚴(yán)重的兼容問(wèn)題。

3.2 排查過(guò)程

根據(jù)EMC的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，參照影響程度的劃分，可以分為I、II、III、IV共4個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別的內(nèi)容見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中的內(nèi)容，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)要素來(lái)輔助分析并定位問(wèn)題來(lái)源，制定解決方案和措施，具體的操作流程如下。

第一，根據(jù)表1進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)單元逐步分級(jí)排查，將電源組件單獨(dú)使用LISN并進(jìn)行傳導(dǎo)摸底測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。通過(guò)圖2中的波形變換可以看出超出的頻點(diǎn)基本一致。

第二，將輸入端的共模電感由原1.4mH增至2mH，中間段的電感由原先的100μH增至2mH后，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)矩陣的判斷分析。隨著輸入端電容的去除，端口數(shù)值由1k增至4.7k，并單獨(dú)用LISN重新測(cè)試，此時(shí)2M以下的尖峰明顯下降，其中典型端口處為37.5dB，有6.5dB余量。

第三，將每路輸出分別單獨(dú)關(guān)閉進(jìn)行測(cè)試，其中在關(guān)閉OUTPUT1和OUTPUT5時(shí)，輸入端300kHz的尖峰明顯下降，可見(jiàn)300kHz處的干擾主要由這2個(gè)模塊造成。將OUTPUT1和OUTPUT5電源模塊前的差模電感由0.4μH增至10μH、5.5μH后，單獨(dú)用LISN重新測(cè)試，其中典型的300kHz處為35dB，有9dB余量，比之前有輕微改善。

第四，由于廠內(nèi)只能經(jīng)LISN測(cè)試，DO-160G標(biāo)準(zhǔn)中的射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗(yàn)）要求用電源線(xiàn)測(cè)量探頭測(cè)試。經(jīng)過(guò)整改并進(jìn)行摸底測(cè)試后還有較大余量，說(shuō)明上述的排查和整改措施有效。

3.3 電磁兼容案例的原因分析

從圖2的波形結(jié)果來(lái)看，其超出的包絡(luò)均是300kHz的倍頻。經(jīng)分析，電源組件中的模塊開(kāi)關(guān)頻率300kHz、300kHz倍頻以及N次諧波是主要干擾源，直接耦合到輸入線(xiàn)端，并通過(guò)輸出端對(duì)地的Y電容將干擾信號(hào)發(fā)射到外殼上。外殼又以傳導(dǎo)的方式將干擾信號(hào)發(fā)送到組件及輸入端，造成測(cè)試波形超標(biāo)。

而電源組件中含有濾波器，對(duì)高頻的干擾信號(hào)來(lái)說(shuō)，電容屬于低阻抗，因此電容的存在能夠起到旁路及去耦高頻的干擾作用[5]。此時(shí)電感和電容形成的組合式濾波器也能起到鋁箔作用，從而可減少模擬信號(hào)的流通路徑，最終減少高頻發(fā)射。超標(biāo)的包絡(luò)主要集中在300kHz～20MHz，以共模的干擾信號(hào)為主，因此判斷原因是共模電感和Y電容組合偏小，造成干擾信號(hào)吸收和濾除不夠干凈。

4 基于電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的EMC整改方案

4.1 電磁兼容檢測(cè)

4.1.1 輻射發(fā)射測(cè)量

輻射發(fā)射的參數(shù)測(cè)試主要在半點(diǎn)波中的暗室進(jìn)行，可綜合減少外部電氣部件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。其中測(cè)試的天線(xiàn)應(yīng)距受試設(shè)備3m或10m，并在其垂直1m以上位置進(jìn)行掃描，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4.1.2 傳導(dǎo)騷擾測(cè)量

傳導(dǎo)騷擾測(cè)量主要測(cè)量的是電動(dòng)側(cè)的擾動(dòng)參數(shù)。測(cè)量之前要結(jié)合不同的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量供電參數(shù)預(yù)處理，完成準(zhǔn)峰值和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)峰值的參數(shù)比較。在參數(shù)測(cè)量和比較過(guò)程中，當(dāng)頻率gt;0.5MHz時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)限值應(yīng)穩(wěn)定在60dBμV不變，而測(cè)試的峰值應(yīng)﹤40dBμV。

4.1.3 電源端騷擾電壓

供電側(cè)中要積極進(jìn)行擾動(dòng)電壓的參數(shù)測(cè)量，其參數(shù)測(cè)試應(yīng)結(jié)合不同的工段參數(shù)進(jìn)行差異化分析，進(jìn)而完成極限峰值和標(biāo)準(zhǔn)峰值的參數(shù)對(duì)準(zhǔn)，最終通過(guò)不同組數(shù)據(jù)的綜合測(cè)量來(lái)求解平均值。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)單元

整改過(guò)程中要重點(diǎn)強(qiáng)化對(duì)單元內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)劃分，根據(jù)評(píng)估的實(shí)際情況羅列出風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，并最終繪制出故障排查路線(xiàn)圖，對(duì)路線(xiàn)圖內(nèi)各風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行逐一整改。其中GB/T38659.1—2020中具體給出了基于EMC風(fēng)險(xiǎn)要素的描述要點(diǎn)，并確定了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的整改程度等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)描述要點(diǎn)中的整改要求見(jiàn)表2。

4.3 基于電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的整改流程

基于表2對(duì)風(fēng)險(xiǎn)整改程度等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)定，其要素信息能夠準(zhǔn)確定位到來(lái)源。首先，根據(jù)產(chǎn)品硬件本身的實(shí)際情況，將模型分割成N個(gè)能夠進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)測(cè)的單元。單元?jiǎng)澐值闹饕康氖菫榱俗屜嗨频娘L(fēng)險(xiǎn)要素能夠分配到同一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元中。對(duì)設(shè)備整機(jī)來(lái)說(shuō)，可以將電纜和電路板作為切入點(diǎn)來(lái)劃分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，將電纜和電纜相連接的電路板、整機(jī)接殼共同組成一個(gè)獨(dú)立模組。其次，參照產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元的實(shí)際特點(diǎn)確定好風(fēng)險(xiǎn)要素的等級(jí)，并參照等級(jí)結(jié)果的影響程度確定單元序列的分布矩陣圖。在排查過(guò)程中，應(yīng)參照影響程度的等級(jí)原則，從矩陣的左下角按照“自左到右–自上到下”的順序進(jìn)行分析，逐一找到相關(guān)問(wèn)題的來(lái)源，并根據(jù)排查路線(xiàn)圖的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。其具體操作步驟如圖3所示。

4.4 整改措施與結(jié)果

增加輸入端的共模電感、Y電容及OUTPUT1/OUTPUT5模塊端的輸入差模電感，吸收和抑制對(duì)300kHz的倍頻干擾；增加模塊初次級(jí)的Y電容，取消輸出端對(duì)地的Y電容，從而增加次級(jí)干擾信號(hào)回流到初級(jí)的回路，避免通過(guò)輸出端耦合到外殼，從而干擾輸入線(xiàn)端；在整改優(yōu)化中，3mm2地線(xiàn)的測(cè)試效果要優(yōu)于0.5mm2的測(cè)試效果，表明接地線(xiàn)越粗越短越好，能夠?qū)⒏蓴_信號(hào)濾除到大地中。因此建議將此接地線(xiàn)加粗至3mm2以上，線(xiàn)體長(zhǎng)度盡可能短，以保證接地路徑短、阻抗小。完成每項(xiàng)整改方案后，陸續(xù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，直至所有的整改試驗(yàn)全部完成。

5 預(yù)防電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)措施

5.1 電磁兼容的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境優(yōu)化

為了保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，在日常運(yùn)維檢查中應(yīng)強(qiáng)化對(duì)設(shè)備間干擾源的監(jiān)測(cè)，綜合調(diào)研出現(xiàn)干擾問(wèn)題的根地磁及電磁耦合路徑，進(jìn)而預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)，綜合優(yōu)化電磁生產(chǎn)環(huán)境。

5.2 電磁兼容的評(píng)估方法

在日常運(yùn)行維護(hù)中，要深度檢查產(chǎn)品內(nèi)部的功能結(jié)構(gòu)情況，深度了解產(chǎn)品本身的基本模塊和零件，綜合查詢(xún)各部件的標(biāo)準(zhǔn)，深度注重產(chǎn)品環(huán)境、電氣設(shè)備以及轉(zhuǎn)換器等可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的干擾。在日常維護(hù)中也要認(rèn)識(shí)到高靈敏的天線(xiàn)及電力線(xiàn)也有可能成為電磁干擾的主要來(lái)源。

5.3 金屬外殼對(duì)電磁兼容性的影響

在日常維護(hù)中，部分運(yùn)維人員片面地認(rèn)為塑料外殼能夠顯著降低電磁兼容的影響，但是從大量的實(shí)踐案例能夠看出，金屬外殼能夠更好地降低電磁兼容的影響。在所有金屬類(lèi)的外殼中，鑄鋁材質(zhì)外殼對(duì)電磁兼容的影響是最小的，能夠更好地屏蔽外部環(huán)境中的電磁波。但是在日常硬件選取中，鑄鋁材質(zhì)的硬件成本較高，因此將金屬外殼連接到過(guò)濾電容C也能夠取得同等的效果。

5.4 PCB的電磁干擾監(jiān)測(cè)

在日常維護(hù)及檢修過(guò)程中，要強(qiáng)化對(duì)PCB板產(chǎn)生電磁干擾的監(jiān)測(cè)，提前規(guī)避可能產(chǎn)生的問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)，綜合提升電磁設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，提升電磁兼容的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)的處理是“人為經(jīng)驗(yàn)+測(cè)試數(shù)據(jù)”的深度融合，基于EMC的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能夠高質(zhì)量地指導(dǎo)電子硬件的電磁兼容設(shè)計(jì)與維修，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最小改動(dòng)的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品的運(yùn)行質(zhì)量達(dá)標(biāo)，最大限度地滿(mǎn)足電磁兼容的核心要求，保證硬件設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

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