基于电磁兼容风险评估方法的EMC整改

目前我国很多企业缺乏针对产品 EMC 设计的流程和方法，很多工程师也没有接受过系统的 EMC 培训，因此相比其他功能性能测试，电磁兼容测试是电子工程师最头痛的一项。很多电子设备在设计之初是不知能否通过电磁兼容性考核的，一般是通过 EMC 测试，发现不符合项，进行整改，再次进行相关测试，直到通过考核为止。如果工程师缺乏相应的整改经验，则会出现遇到问题不知如何下手，或是进行初步整改无法通过试验后，不知该如何进一步实施整改。利用电磁兼容风险评估方法，可以根据各风险要素的影响程度快速找到整改方向，实施整改措施，达到产品快速改进迭代的目的。

1 电磁兼容风险评估模型

电磁兼容风险评估是一种为产品 EMC 风险提供基于物理模型的分析和建议的方法，是一种概念模型，具有适用性广、通用性强、标准化程度高等优点。郑军奇提出的一种新的电磁兼容评估方法，目前已发布 GB/Z 37150-2019《电磁兼容可靠性评估导则》、GB/ T 38659.1-2020《电磁兼容风险评估第 1 部分：电子电气设备》等多个国家标准。文献将该方法用于产品正向的 EMC 设计和 EMC 合格评价。针对高铁列控系统车载设备建立了电磁兼容网络模型、云模型、Cube模型和蒙特卡洛方法等数学模型，用于评估设备的电磁兼容风险。

电磁兼容风险评估的源头思想是确定的设备即具有确定的 EMC 性能，设备中存在 EMC 相关要素和EMC 不相关要素，其中 EMC 相关要素会导致 EMC 测试不通过，各种要素导致 EMC 测试不通过的风险不一样。

因此，对确定的电子设备存在一种理想的电磁兼容设计模型，这种模型规避了已知的电磁兼容设计风险。

将 EMC 测试不通过产品的实际设计信息与理想模型中的所有风险要素进行比较，能够较快发现产品在电磁兼容设计方面的薄弱环节，加快整改的进度和效果。

电磁兼容风险评估方法核心是研究共模电流对产品 EMC 特性的影响。由共模电流引起的产品 EMC 性能相关要素分为产品机械构架和产品电路板两部分。因此理想的电磁兼容设计模型，包括产品机械架构和电路板(原理图、PCB)两部分。

理想机械架构和理想 PCB 模型如图 1 所示。

产品在机械架构方面主要的 EMC 影响要素有：电缆连接器在电路板中的相对位置、屏蔽电缆屏蔽层的搭接、外部电源和信号输入端口的滤波与防护、PCB 板的0 V 工作地与金属壳体之间的互连、壳体接地线等。

产品在 PCB 模型方面的 EMC 影响要素有：噪声信号区域的设计、滤波、去耦、串扰防止、地平面、特殊信号设计、敏感信号设计等。

在理想的 EMC 模型中，共模电流流过电缆、机箱和 PCB 板时，不会产生对内部电路影响的干扰电平，同时内部电路在正常传递工作时，也不会引起电磁骚扰电流。

2 EMC 风险影响程度等级

对理想 EMC 模型中风险要素按影响程度可划分为I、II、III、IV 四个级别：

I 级：特定条件下不能满足时，一定会导致某项测试失败 ;

II 级：不能满足时，应有其他特定的弥补措施才能避免测试失败 ;

III 级：不能满足时，不一定会导致测试失败，但影响是直接的，而且相对较大 ;

IV 级：不能满足时，不一定会导致测试失败，影响是间接的，且影响较小。

GB/T 38659.1-2020 中给出了一些 EMC 风险要素的描述。然而这些风险要素并不是包治百病的良方，产品的实际情况往往千差万别。评估电子产品 EMC 风险要素的影响程度等级，可以参考国家标准并结合产品特点后对其进行扩展，再进行深入的排查和分析。常见的EMC 相关风险要素描述见表 1。

3 基于电磁兼容风险评估的 EMC 整改方法

当遇到电磁兼容问题时，可利用风险评估模型提供的各风险要素信息帮助分析定位问题来源，并制定解决措施，具体的操作步骤如下：

首先，根据产品的具体情况，将产品实际模型划分成 N 个可进行风险评价的单元。风险评估单元划分的目的是让同种风险要素分配到不同的风险评估单元，即一个风险评估单元对应一个风险要素。对电子设备整机来说，可从电缆和电路板入手划分风险评估模型。一根电缆、与电缆互连的电路板、整机壳体和接地线为一个相对独立的单元。

通常情况下，产品 EMC 风险要素中的壳体和接地线会在一个产品的每个风险评估单元中反复出现，被重复使用。

然后，按照产品及各个风险评价单元实际的结构特点和电路特点，列出可能存在的风险要素，确定好各风险要素的影响程度等级。

将各个评估单元的风险要素逐个列出后，为便于逐个排查真正的影响要素，可以按照影响程度和所属单元序号列成风险要素分布矩阵图，如图 2 所示。所有具有 I 级和 II 级影响程度等级的单元都应该被重点关注，这些单元具有很大的电磁兼容性风险。

在排查过程中，应按照影响程度等级优先的原则，从矩阵图的左上角开始，按从左到右，从上到下的顺序对每个影响要素进行分析。这一过程需根据矩阵图形成排查路线，图 2 中红色箭头即为排查路线。

根据排查路线图，先对最高等级风险要素进行排查，确定初步整改方案，在每一项的整改完成后，进行相关测试。如果顺利通过，则停止整改，如仍然存在不合格项，则继续对次高级风险要素进行排查，再次确定整改方案，进行整改技术措施实施，接着进行测试 ;依次类推，直到最终完成整改试验。整个改进的流程如图 3 所示。

在改进过程中，可以先从机械构架模型入手，从产品外部到产品内部，从每个单元影响程度大的要素到影响程度小的要素。

需要注意的是对于 RE102 辐射发射这样的电磁兼容问题，一个辐射源可能会导致多个超标频率点，而一个超标的频率点又可能来自多个辐射源。因此在进行整改时，应针对最大辐射频率点进行问题定位和采取技术措施 ;同时针对某个超标频率采取技术措施，发现没有效果或效果不理想时，不应将此措施去除，应在保持此措施基础上继续采取其他措施，针对每一个风险要素的措施应反复尝试，直至确实没有改进余地为止。

4 基于电磁兼容风险评估的整改实例

某型综合控制计算机，在 RE102 测试中出现垂直极化场 7.5~12 MHz 等多频段超标情况，最高超标达15 dBμV/m，如图 4 所示。为快速定位问题，采用了基于风险评估模型的整改方法。

首先，根据产品电缆和电路板的结构特点，将其分解为 4 个风险评估单元，如图 5 所示。在功能上，单元1 负责将外部输入的一次电源转换成其他模块所需的二次、三次电源，单元 1 中的信号中没有敏感信号也没有时钟等高频振荡电路，因此其没有表 1 中的风险要素⑥和要素⑦ ;单元 2 负责与外部的相互通信及对外部输入信号的调理 ;单元 3 负责进行信号模数转换及控制律解算，并输出相关 PWM 驱动信号 ;单元 4 接收 PWM 驱动信号，对外输出功率斩波。可以看到风险评估单元 1、单元 2、单元 4 既有电缆也有 PCB，其风险要素包括机械架构和 PCB 两方面 ;风险评估单元 3 只有 PCB 没有电缆，因此其风险要素只包含 PCB。

根据上述分析，列出风险评估单元 1、单元 2、单元 4 的风险影响程度等级为 I 级的风险要素信息。表 2 是风险要素影响程度等级为I 级和 II 级的风险要素列表，在电磁兼容整改中要着重关注这些点。根据表 2 和各风险评估单元的实际设计情况，可以列出某型控制计算机的风险矩阵图，并在此基础上绘制出排查路线图，如图 6 所示。

接下来就是按路线图逐个要素进行分析和整改：

1)I 类影响要素

单元 1 ：具有外部电源输入，先考虑 I 类影响要素。结合要素①推测其滤波效果会影响到 RE102 特性，调整其滤波参数，增大滤波电感及电容进行测试，发现 2 MHz 附近超标现象有所改善，继续增大滤波参数，RE102 曲线无明显变化，但电路发生了啸叫，说明增大过大，需适当减小相关参数。单元 1 具有 DC/DC 器件，每种电源转换电路均有滤波电路，结合要素⑤适当增大滤波电路电容，效果不明显。

单元 2 ：负责对外通信及输入信号调理。结合要素①，接口电路均有相关滤波设计 ;结合要素⑥，相连电缆的屏蔽性影响影响甚大，在电缆上加屏蔽层，测试效果不甚理想 ;结合要素⑦，内部电缆本来就距离晶振、功率开关等噪声源较远，尝试将其固定在更远的位置，测试无效果。

单元 3 ：具有高频时钟电路，但从测试看辐射波形中未见对应频率的尖刺。

单元 4：接收 PWM 驱动信号，对外输出功率斩波，其本身即为较大的噪声源。结合要素①，对外连接电缆在原有电缆加屏蔽层，测试基本没有效果。结合要素⑤和要素⑥，将单元 4 内部电缆固定在远离其他电缆方向，测试结果依然基本不变。I 类影响要素均已遍历完成。

2) II 类影响要素

单元 1 ：电源电缆不能加屏蔽，因此不存在要素②中的屏蔽层搭接问题。结合要素③和要素④，检查工作地与金属壳体之间以及与不同 PCB 之间的互连，均具有较大面积压接，已无改善空间。

单元 2 ：电缆用于外部信号的采集和通信，结合②号要素，仔细检查电缆屏蔽层的搭接，对搭接中的空隙进行环接和压实处理，经测试有所改善，但 23 MHz处仍超过限值约 10 dBμV/m。工作地与金属壳体不相连，结合③号要素，用短线在最近接地点将工作地与金属壳体相连。整改后的测试曲线如图 7 所示，符合相关标准的要求。