摘 要：基于EMC的“電磁兼容風(fēng)險評估模型”進(jìn)行電磁兼容性分析能夠為優(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)用價值。對此，本文以工程案例為試驗載體，通過“劃分風(fēng)險單元-確定風(fēng)險要素程度-列出風(fēng)險矩陣”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)險評估模型”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，同時接地線也會對電磁兼容性產(chǎn)生影響，接地線“越粗越短”，電磁兼容性越好。結(jié)果表明，基于電磁兼容風(fēng)險評估方法的電磁兼容分析能夠為產(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)險評估；整改策略

中圖分類號：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度，不會因外部環(huán)境干擾而產(chǎn)生誤動作，并且設(shè)備及系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁干擾也不會對周邊其他產(chǎn)品產(chǎn)生影響。在此背景下，電磁兼容風(fēng)險評估能夠?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)險評估模型的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容風(fēng)險評估是為電磁硬件提供基于物理模型分析的數(shù)值評估方法，具有實用性強、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的特點[2]，目前《電磁兼容可靠性評估導(dǎo)則》GB/Z37150—2019及《電磁兼容風(fēng)險評估第1部分：電子電氣設(shè)備》GB/T38659.1—2020等多個標(biāo)準(zhǔn)中都對其有所介紹。該方法廣泛應(yīng)用于正向EMC產(chǎn)品設(shè)計及維修后的產(chǎn)品性能評估。方法核心是探究共模電流對產(chǎn)品EMC性能特性的影響，進(jìn)而在實際值與理想模型性能值的不斷比較中，能夠及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在電磁兼容設(shè)計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，后級為7路不同功率輸出。產(chǎn)品裝入整機后需要滿足要求，并通過DO-160G規(guī)定的磁效應(yīng)試驗、音頻傳導(dǎo)敏感性試驗、感應(yīng)信號敏感性試驗、射頻敏感性（輻射和傳導(dǎo)）試驗、射頻能量發(fā)射試驗、靜放電試驗等電磁兼容性試驗，基于風(fēng)險評估識別出干擾源主要為開關(guān)電源，集中在開關(guān)電路與輸出整流電路的高dV/dI和dI/dt中?？赏ㄟ^劃分風(fēng)險單元中的整體改進(jìn)方法，采用吸收電路、濾波、布線、屏蔽、接地，密封等技術(shù)減少干擾[3]。在硬件方面，主要通過反接保護(hù)、浪涌抑制、濾波輸入、開關(guān)控制、隔離轉(zhuǎn)換、濾波輸出處理以及殼體設(shè)計搭接線，同時對其他輸入、輸出信號進(jìn)行濾波，來滿足整機的電磁兼容性。

3 電磁兼容案例的問題現(xiàn)象及排查過程

3.1 問題現(xiàn)象

某型電源組件在客戶端進(jìn)行摸底測試時，根據(jù)DO-160G規(guī)定依次完成了磁效應(yīng)試驗、音頻傳導(dǎo)敏感性試驗、感應(yīng)信號敏感性試驗、射頻敏感性（輻射和傳導(dǎo)）試驗、靜放電試驗等電磁兼容性試驗。但進(jìn)行射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗）測試時，根據(jù)波形數(shù)值分析可知，射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗）存在超標(biāo)情況。同時由于設(shè)備自身在運行中已經(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，濾波器的輸入線路過長，并且現(xiàn)有的局部空間已無法再次進(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“屏蔽機箱”、接地等相關(guān)措施對該案例設(shè)備進(jìn)行了電磁防御，但由于設(shè)備硬件沒有安裝在理想位置，導(dǎo)致電源濾波器的參數(shù)引線過長，因此電源傳導(dǎo)發(fā)射的運行結(jié)果不理想。同時由于信號線沒有進(jìn)行濾波處理，也導(dǎo)致電場輻射發(fā)射的運行結(jié)果不理想，出現(xiàn)較嚴(yán)重的兼容問題。

3.2 排查過程

根據(jù)EMC的風(fēng)險等級，參照影響程度的劃分，可以分為I、II、III、IV共4個級別，每個級別的內(nèi)容見表1。

根據(jù)表1中的內(nèi)容，通過風(fēng)險評估模型中的各類風(fēng)險要素來輔助分析并定位問題來源，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)險單元逐步分級排查，將電源組件單獨使用LISN并進(jìn)行傳導(dǎo)摸底測試，結(jié)果如圖2所示。通過圖2中的波形變換可以看出超出的頻點基本一致。

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，并單獨用LISN重新測試，此時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關(guān)閉進(jìn)行測試，其中在關(guān)閉OUTPUT1和OUTPUT5時，輸入端300kHz的尖峰明顯下降，可見300kHz處的干擾主要由這2個模塊造成。將OUTPUT1和OUTPUT5電源模塊前的差模電感由0.4μH增至10μH、5.5μH后，單獨用LISN重新測試，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測試，DO-160G標(biāo)準(zhǔn)中的射頻能量發(fā)射（傳導(dǎo)試驗）要求用電源線測量探頭測試。經(jīng)過整改并進(jìn)行摸底測試后還有較大余量，說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，直接耦合到輸入線端，并通過輸出端對地的Y電容將干擾信號發(fā)射到外殼上。外殼又以傳導(dǎo)的方式將干擾信號發(fā)送到組件及輸入端，造成測試波形超標(biāo)。

而電源組件中含有濾波器，對高頻的干擾信號來說，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，造成干擾信號吸收和濾除不夠干凈。

4 基于電磁兼容風(fēng)險評估的EMC整改方案

4.1 電磁兼容檢測

4.1.1 輻射發(fā)射測量

輻射發(fā)射的參數(shù)測試主要在半點波中的暗室進(jìn)行，可綜合減少外部電氣部件對測試結(jié)果的影響。其中測試的天線應(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，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4.1.2 傳導(dǎo)騷擾測量

傳導(dǎo)騷擾測量主要測量的是電動側(cè)的擾動參數(shù)。測量之前要結(jié)合不同的工作狀態(tài)進(jìn)行測量供電參數(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)測量和比較過程中，當(dāng)頻率gt;0.5MHz時，其標(biāo)準(zhǔn)限值應(yīng)穩(wěn)定在60dBμV不變，而測試的峰值應(yīng)﹤40dBμV。

4.1.3 電源端騷擾電壓

供電側(cè)中要積極進(jìn)行擾動電壓的參數(shù)測量，其參數(shù)測試應(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)對準(zhǔn)，最終通過不同組數(shù)據(jù)的綜合測量來求解平均值。

4.2 風(fēng)險單元

整改過程中要重點強化對單元內(nèi)容的風(fēng)險參數(shù)劃分，根據(jù)評估的實際情況羅列出風(fēng)險矩陣圖，并最終繪制出故障排查路線圖，對路線圖內(nèi)各風(fēng)險點進(jìn)行逐一整改。其中GB/T38659.1—2020中具體給出了基于EMC風(fēng)險要素的描述要點，并確定了相關(guān)風(fēng)險的整改程度等級。風(fēng)險描述要點中的整改要求見表2。

4.3 基于電磁兼容風(fēng)險評估的整改流程

基于表2對風(fēng)險整改程度等級進(jìn)行綜合評定，其要素信息能夠準(zhǔn)確定位到來源。首先，根據(jù)產(chǎn)品硬件本身的實際情況，將模型分割成N個能夠進(jìn)行風(fēng)險評測的單元。單元劃分的主要目的是為了讓相似的風(fēng)險要素能夠分配到同一風(fēng)險評估單元中。對設(shè)備整機來說，可以將電纜和電路板作為切入點來劃分風(fēng)險評估模型，將電纜和電纜相連接的電路板、整機接殼共同組成一個獨立模組。其次，參照產(chǎn)品的風(fēng)險評價單元的實際特點確定好風(fēng)險要素的等級，并參照等級結(jié)果的影響程度確定單元序列的分布矩陣圖。在排查過程中，應(yīng)參照影響程度的等級原則，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)問題的來源，并根據(jù)排查路線圖的結(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300kHz的倍頻干擾；增加模塊初次級的Y電容，取消輸出端對地的Y電容，從而增加次級干擾信號回流到初級的回路，避免通過輸出端耦合到外殼，從而干擾輸入線端；在整改優(yōu)化中，3mm2地線的測試效果要優(yōu)于0.5mm2的測試效果，表明接地線越粗越短越好，能夠?qū)⒏蓴_信號濾除到大地中。因此建議將此接地線加粗至3mm2以上，線體長度盡可能短，以保證接地路徑短、阻抗小。完成每項整改方案后，陸續(xù)進(jìn)行相關(guān)測試，直至所有的整改試驗全部完成。

5 預(yù)防電磁兼容風(fēng)險的改進(jìn)措施

5.1 電磁兼容的現(xiàn)場環(huán)境優(yōu)化

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

5.2 電磁兼容的評估方法

在日常運行維護(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)換器等可能對設(shè)備產(chǎn)生的干擾。在日常維護(hù)中也要認(rèn)識到高靈敏的天線及電力線也有可能成為電磁干擾的主要來源。

5.3 金屬外殼對電磁兼容性的影響

在日常維護(hù)中，部分運維人員片面地認(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。在所有金屬類的外殼中，鑄鋁材質(zhì)外殼對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

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

6 結(jié)語

電磁兼容風(fēng)險的處理是“人為經(jīng)驗+測試數(shù)據(jù)”的深度融合，基于EMC的風(fēng)險評估方法能夠高質(zhì)量地指導(dǎo)電子硬件的電磁兼容設(shè)計與維修，在對產(chǎn)品進(jìn)行最小改動的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品的運行質(zhì)量達(dá)標(biāo)，最大限度地滿足電磁兼容的核心要求，保證硬件設(shè)備的運行穩(wěn)定性。

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