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

        2016-11-04 10:15:16張薇琳
        科技視界 2016年23期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)庫模型

        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)品無法通過嚴格的國際電磁兼容標準(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。

        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)范及標準等,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)相當重視,先后發(fā)布了83項電磁兼容國家標準,其中強制性標準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證的產(chǎn)品目錄》。對目錄中所涉及的產(chǎn)品實施EMC安全認證制度,這些產(chǎn)品在進入流通領(lǐng)域時將進行強制性監(jiān)督管理。

        2 電磁兼容預設(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準庫、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,進入了電磁兼容預設(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、檢測導航、EMC標準、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫維護、設(shè)置。

        仿真設(shè)計部分包括三部分:仿真設(shè)計準則、仿真實例、整改措施。根據(jù)所選擇的電子電器產(chǎn)品,給出需要進行的檢測方法、連接模版圖、相關(guān)標準等信息,指導用戶進行測試分析。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、微處理器等部件,要實現(xiàn)電磁兼容預設(shè)計,進行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)有殼體進行屏蔽仿真,輸入輸出口、通風處電場分布特性分別如圖6所示。從結(jié)果看出通風處,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,在機殼內(nèi)設(shè)置導線為輻射源,建模和觀測點場強如圖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干擾整體下降15~35db,對元器件布局及走線進行重新規(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,進行全系統(tǒng)級電磁兼容預設(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。

        【參考文獻】

        [1]邵小桃,電磁兼容與PCB設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,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,紀愛華.電磁兼容技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

        [責任編輯:王偉平]

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