目前我國(guó)很多企業(yè)缺乏針對(duì)產(chǎn)品 EMC 設(shè)計(jì)的流程和方法，很多工程師也沒(méi)有接受過(guò)系統(tǒng)的 EMC 培訓(xùn) ，因此相比其他功能性能測(cè)試，電磁兼容測(cè)試是電子工程師最頭痛的一項(xiàng)。很多電子設(shè)備在設(shè)計(jì)之初是不知能否通過(guò)電磁兼容性考核的，一般是通過(guò) EMC 測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)，進(jìn)行整改，再次進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，直到通過(guò)考核為止。如果工程師缺乏相應(yīng)的整改經(jīng)驗(yàn)，則會(huì)出現(xiàn)遇到問(wèn)題不知如何下手，或是進(jìn)行初步整改無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)后，不知該如何進(jìn)一步實(shí)施整改。利用電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，可以根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)要素的影響程度快速找到整改方向，實(shí)施整改措施，達(dá)到產(chǎn)品快速改進(jìn)迭代的目的。

1 電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一種為產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險(xiǎn)提供基于物理模型的分析和建議的方法，是一種概念模型，具有適用性廣、通用性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。鄭軍奇 提出的一種新的電磁兼容評(píng)估方法，目前已發(fā)布 GB/Z 37150-2019《電磁兼容可靠性評(píng)估導(dǎo)則》、GB/ T 38659.1-2020《電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第 1 部分 ：電子電氣設(shè)備》 等多個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn) 將該方法用于產(chǎn)品正向的 EMC 設(shè)計(jì)和 EMC 合格評(píng)價(jià)。針對(duì)高鐵列控系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備建立了電磁兼容網(wǎng)絡(luò)模型、云模型、Cube模型 和蒙特卡洛方法 等數(shù)學(xué)模型，用于評(píng)估設(shè)備的電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)。

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的源頭思想是確定的設(shè)備即具有確定的 EMC 性能，設(shè)備中存在 EMC 相關(guān)要素和EMC 不相關(guān)要素，其中 EMC 相關(guān)要素會(huì)導(dǎo)致 EMC 測(cè)試不通過(guò)，各種要素導(dǎo)致 EMC 測(cè)試不通過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)不一樣。

因此，對(duì)確定的電子設(shè)備存在一種理想的電磁兼容設(shè)計(jì)模型，這種模型規(guī)避了已知的電磁兼容設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

將 EMC 測(cè)試不通過(guò)產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)信息與理想模型中的所有風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行比較，能夠較快發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在電磁兼容設(shè)計(jì)方面的薄弱環(huán)節(jié)，加快整改的進(jìn)度和效果。

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法核心是研究共模電流對(duì)產(chǎn)品 EMC 特性的影響。由共模電流引起的產(chǎn)品 EMC 性能相關(guān)要素分為產(chǎn)品機(jī)械構(gòu)架和產(chǎn)品電路板兩部分。因此 理想的電磁兼容設(shè)計(jì)模型，包括產(chǎn)品機(jī)械架構(gòu)和電路板(原理圖、PCB)兩部分。

理想機(jī)械架構(gòu)和理想 PCB 模型 如圖 1 所示。

產(chǎn)品在機(jī)械架構(gòu)方面主要的 EMC 影響要素有 ：電 纜連接器在電路板中的相對(duì)位置、屏蔽電纜屏蔽層的搭接、外部電源和信號(hào)輸入端口的濾波與防護(hù)、PCB 板的0 V 工作地與金屬殼體之間的互連、殼體接地線等。

產(chǎn)品在 PCB 模型方面的 EMC 影響要素有 ：噪聲信號(hào)區(qū)域的設(shè)計(jì)、濾波、去耦、串?dāng)_防止、地平面、特殊信號(hào)設(shè)計(jì)、敏感信號(hào)設(shè)計(jì)等。

在理想的 EMC 模型中，共模電流流過(guò)電纜、機(jī)箱和 PCB 板時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)內(nèi)部電路影響的干擾電平，同時(shí)內(nèi)部電路在正常傳遞工作時(shí)，也不會(huì)引起電磁騷擾電流。

2 EMC 風(fēng)險(xiǎn)影響程度等級(jí)

對(duì)理想 EMC 模型中風(fēng)險(xiǎn)要素按影響程度可劃分為I、II、III、IV 四個(gè)級(jí)別 ：

I 級(jí) ：特定條件下不能滿(mǎn)足時(shí)，一定會(huì)導(dǎo)致某項(xiàng)測(cè)試失敗 ;

II 級(jí) ：不能滿(mǎn)足時(shí)，應(yīng)有其他特定的彌補(bǔ)措施才能避免測(cè)試失敗 ;

III 級(jí) ：不能滿(mǎn)足時(shí)，不一定會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失敗，但影響是直接的，而且相對(duì)較大 ;

IV 級(jí) ：不能滿(mǎn)足時(shí)，不一定會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失敗，影響是間接的，且影響較小。

GB/T 38659.1-2020 中給出了一些 EMC 風(fēng)險(xiǎn)要素的描述。然而這些風(fēng)險(xiǎn)要素并不是包治百病的良方，產(chǎn)品的實(shí)際情況往往千差萬(wàn)別。評(píng)估電子產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險(xiǎn)要素的影響程度等級(jí)，可以參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，再進(jìn)行深入的排查和分析。常見(jiàn)的EMC 相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)要素描述見(jiàn)表 1。

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

當(dāng)遇到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，可利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型提供的各風(fēng)險(xiǎn)要素信息幫助分析定位問(wèn)題來(lái)源，并制定解決措施，具體的操作步驟如下 ：

首先，根據(jù)產(chǎn)品的具體情況，將產(chǎn)品實(shí)際模型劃分成 N 個(gè)可進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的單元。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元?jiǎng)澐值哪康氖亲屚N風(fēng)險(xiǎn)要素分配到不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，即一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元對(duì)應(yīng)一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素。對(duì)電子設(shè)備整機(jī)來(lái)說(shuō)，可從電纜和電路板入手劃分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。一根電纜、與電纜互連的電路板、整機(jī)殼體和接地線為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元。

通常情況下，產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險(xiǎn)要素中的殼體和接地線會(huì)在一個(gè)產(chǎn)品的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元中反復(fù)出現(xiàn)，被重復(fù)使用。

然后，按照產(chǎn)品及各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元實(shí)際的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電路特點(diǎn)，列出可能存在的風(fēng)險(xiǎn)要素，確定好各風(fēng)險(xiǎn)要素的影響程度等級(jí)。

將各個(gè)評(píng)估單元的風(fēng)險(xiǎn)要素逐個(gè)列出后，為便于逐個(gè)排查真正的影響要素，可以按照影響程度和所屬單元序號(hào)列成風(fēng)險(xiǎn)要素分布矩陣圖，如圖 2 所示。所有具有 I 級(jí)和 II 級(jí)影響程度等級(jí)的單元都應(yīng)該被重點(diǎn)關(guān)注，這些單元具有很大的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)。

在排查過(guò)程中，應(yīng)按照影響程度等級(jí)優(yōu)先的原則，從矩陣圖的左上角開(kāi)始，按從左到右，從上到下的順序?qū)γ總€(gè)影響要素進(jìn)行分析。這一過(guò)程需根據(jù)矩陣圖形成排查路線，圖 2 中紅色箭頭即為排查路線。

根據(jù)排查路線圖，先對(duì)最高等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行排查，確定初步整改方案，在每一項(xiàng)的整改完成后，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。如果順利通過(guò)，則停止整改，如仍然存在不合格項(xiàng)，則繼續(xù)對(duì)次高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行排查，再次確定整改方案，進(jìn)行整改技術(shù)措施實(shí)施，接著進(jìn)行測(cè)試 ;依次類(lèi)推，直到最終完成整改試驗(yàn)。整個(gè)改進(jìn)的流程如圖 3 所示。

在改進(jìn)過(guò)程中，可以先從機(jī)械構(gòu)架模型入手，從產(chǎn)品外部到產(chǎn)品內(nèi)部，從每個(gè)單元影響程度大的要素到影響程度小的要素。

需要注意的是對(duì)于 RE102 輻射發(fā)射這樣的電磁兼容問(wèn)題，一個(gè)輻射源可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)超標(biāo)頻率點(diǎn)，而一個(gè)超標(biāo)的頻率點(diǎn)又可能來(lái)自多個(gè)輻射源。因此在進(jìn)行整改時(shí)，應(yīng)針對(duì)最大輻射頻率點(diǎn)進(jìn)行問(wèn)題定位和采取技術(shù)措施 ;同時(shí)針對(duì)某個(gè)超標(biāo)頻率采取技術(shù)措施，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有效果或效果不理想時(shí)，不應(yīng)將此措施去除，應(yīng)在保持此措施基礎(chǔ)上繼續(xù)采取其他措施，針對(duì)每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素的措施應(yīng)反復(fù)嘗試，直至確實(shí)沒(méi)有改進(jìn)余地為止。

4 基于電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的整改實(shí)例

某型綜合控制計(jì)算機(jī)，在 RE102 測(cè)試中出現(xiàn)垂直極化場(chǎng) 7.5~12 MHz 等多頻段超標(biāo)情況，最高超標(biāo)達(dá)15 dBμV/m，如圖 4 所示。為快速定位問(wèn)題，采用了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的整改方法。

首先，根據(jù)產(chǎn)品電纜和電路板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分解為 4 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元，如圖 5 所示。在功能上，單元1 負(fù)責(zé)將外部輸入的一次電源轉(zhuǎn)換成其他模塊所需的二次、三次電源，單元 1 中的信號(hào)中沒(méi)有敏感信號(hào)也沒(méi)有時(shí)鐘等高頻振蕩電路，因此其沒(méi)有表 1 中的風(fēng)險(xiǎn)要素⑥和要素⑦ ;單元 2 負(fù)責(zé)與外部的相互通信及對(duì)外部輸入信號(hào)的調(diào)理 ;單元 3 負(fù)責(zé)進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制律解算，并輸出相關(guān) PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào) ;單元 4 接收 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)外輸出功率斬波?？梢钥吹斤L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元 1、單元 2、單元 4 既有電纜也有 PCB，其風(fēng)險(xiǎn)要素包括機(jī)械架構(gòu)和 PCB 兩方面 ;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元 3 只有 PCB 沒(méi)有電纜，因此其風(fēng)險(xiǎn)要素只包含 PCB。

根據(jù)上述分析，列出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元 1、單元 2、單元 4 的風(fēng)險(xiǎn)影響程度等級(jí)為 I 級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)要素信息。表 2 是風(fēng)險(xiǎn)要素影響程度等級(jí)為I 級(jí)和 II 級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)要素列表，在電磁兼容整改中要著重關(guān)注這些點(diǎn)。根據(jù)表 2 和各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估單元的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，可以列出某型控制計(jì)算機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，并在此基礎(chǔ)上繪制出排查路線圖，如圖 6 所示。

接下來(lái)就是按路線圖逐個(gè)要素進(jìn)行分析和整改 ：

1)I 類(lèi)影響要素

單元 1 ：具有外部電源輸入，先考慮 I 類(lèi)影響要素。結(jié)合要素①推測(cè)其濾波效果會(huì)影響到 RE102 特性，調(diào)整其濾波參數(shù)，增大濾波電感及電容進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn) 2 MHz 附近超標(biāo)現(xiàn)象有所改善，繼續(xù)增大濾波參數(shù)，RE102 曲線無(wú)明顯變化，但電路發(fā)生了嘯叫，說(shuō)明增大過(guò)大，需適當(dāng)減小相關(guān)參數(shù)。單元 1 具有 DC/DC 器件，每種電源轉(zhuǎn)換電路均有濾波電路，結(jié)合要素⑤適當(dāng)增大濾波電路電容，效果不明顯。

單元 2 ：負(fù)責(zé)對(duì)外通信及輸入信號(hào)調(diào)理。結(jié)合要素①，接口電路均有相關(guān)濾波設(shè)計(jì) ;結(jié)合要素⑥，相連電纜的屏蔽性影響影響甚大，在電纜上加屏蔽層，測(cè)試效果不甚理想 ;結(jié)合要素⑦，內(nèi)部電纜本來(lái)就距離晶振、功率開(kāi)關(guān)等噪聲源較遠(yuǎn)， 嘗試將其固定在更遠(yuǎn)的位置，測(cè)試無(wú)效果。

單元 3 ：具有高頻時(shí)鐘電路，但從測(cè)試看輻射波形中未見(jiàn)對(duì)應(yīng)頻率的尖刺。

單元 4：接收 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)外輸出功率斬波，其本身即為較大的噪聲源。結(jié)合要素①，對(duì)外連接電纜在原有電纜加屏蔽層，測(cè)試基本沒(méi)有效果。結(jié)合要素⑤和要素⑥，將單元 4 內(nèi)部電纜固定在遠(yuǎn)離其他電纜方向，測(cè)試結(jié)果依然基本不變。I 類(lèi)影響要素均已遍歷完成。

2) II 類(lèi)影響要素

單元 1 ：電源電纜不能加屏蔽，因此不存在要素②中的屏蔽層搭接問(wèn)題。結(jié)合要素③和要素④，檢查工作地與金屬殼體之間以及與不同 PCB 之間的互連，均具有較大面積壓接，已無(wú)改善空間。

單元 2 ：電纜用于外部信號(hào)的采集和通信，結(jié)合②號(hào)要素，仔細(xì)檢查電纜屏蔽層的搭接，對(duì)搭接中的空隙進(jìn)行環(huán)接和壓實(shí)處理，經(jīng)測(cè)試有所改善，但 23 MHz處仍超過(guò)限值約 10 dBμV/m。工作地與金屬殼體不相連，結(jié)合③號(hào)要素，用短線在最近接地點(diǎn)將工作地與金屬殼體相連。整改后的測(cè)試曲線如圖 7 所示，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型本質(zhì)上是一種基于電磁兼容設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的概念模型，相當(dāng)于電磁兼容整改專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的集合，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品的電磁兼容正向設(shè)計(jì)和整改。定量 EMC 評(píng)估模型還在不斷探索完善中，實(shí)際使用時(shí)，可結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)用 GB/T 38659.1-2020 規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行擴(kuò)展。