简单有效的电子产品计算机辅助EMC诊断方 法 电子产品, 电磁兼容, 计算机

yuyang911220

在电子产品的EMC(电磁兼容)达标流程中，减少循环次数或简化EMC测试方法，可以有效降低EMC达标费用和缩短达标周期，基于这一思想本文提出了一种计算机辅助EMC设计和 诊断方法。提出并详细叙述了一种“黄金标样法”作为计算机辅助EMC诊断的基础，简要介绍了一例计算机辅助EMC诊断的应用案例。
        在电子产品的EMC(电磁兼容)达标流程中，减少循环次数或简化EMC测试方法，可以有效降低EMC达标费用和缩短达标周 期，基于这一思想本文提出了一种计算机辅助EMC设计和诊断方法。提出并详细叙述了一种“黄金标样法”作为计算机辅助EMC诊断的基础，简要介绍了一例计 算机辅助EMC诊断的应用案例。
        电子产品在欧洲和美国等发达国家销售以前必须达到EMC(电磁兼容)标准。2003年8月1日起强制执行的中国CCC认证 也将EMC作为必检项目。EMC测试通常包括对电子产品的电磁传导性和辐射性发射测试以及抗干扰特性测试。这些测试日趋复杂并且只能在专业的EMC实验室 进行，消耗大量人力物力从而测试费用高昂。如果被测试样品通不过EMC实验室的测试，则只能凭设计工程师的经验对被测试样品进行整改，然后再送专业EMC 实验室测试以验证修改效果。如此周而复始，使得产品的EMC测试和改进费用无法控制，开发周期难以预测(图1)。电子产品的EMC达标不仅发生于新产品开 发，而且贯穿于产品的生命周期。产品销售期内对产品的任何变更都将导致对产品EMC的重新认证。因此寻求一种低成本的EMC达标方式成了当务之急。
计算机辅助EMC设计
        从图1可知，减少产品EMC达标流程中的循环次数是解决上述矛盾的有效方法之一。计算机辅助EMC设计可以预先改善电子产品 的EMC状况，减少电子产品在EMC专业实验室测试的次数(图2)，从而降低EMC达标成本，缩短EMC达标周期，因此受到各国科研机构的日益重视。目前 比较典型的计算机辅助EMC设计软件有美国ＡＮＳＯＦＴ公司的ＨＦＳＳ电磁场仿真软件，以场的观点应用有限元法进行求解，适用于天线的仿真；有 ＩＮＮＯＶＥＤＡ公司的HyperLynx软件，用电路的方法进行印刷电路板的串扰和ＥＭＩ(电磁干扰)分析。其中场分析软件使用复杂，应用面窄，适应于 定性分析；电路分析软件局限于印刷电路板的局部线段(结点)的EMC评估，难以全面反映信号叠加后的状况。EMC辅助设计软件价格昂贵也限制了它们的广泛 应用。
计算机辅助EMC诊断
        由图1可知，降低EMC达标成本，缩短EMC达标周期的另一种有效方法是简化EMC测试和降低测试成本。计算机辅助EMC诊 断就是这样一种方法(图3)。由图3可知，EMC达标流程中样机修改后不再送EMC专业实验室测试，而是在用户现场随时应用计算机辅助EMC诊断验证修改 效果，从而加速了达标进程；由于计算机辅助EMC诊断相对专业EMC实验室测试而言费用低廉，从而降低了达标费用。
        计算机辅助EMC诊断通常由两部分组成：对被测试对象的物理测试和对测试结果的软件分析。而黄金标样法是正确实施计算机辅助EMC诊断的基础。
1. 黄金标样法
        黄金标样法是一种有效的协助EMC低成本测试获得合理和可重复结果的手段。其实施步骤如下：
* 获取至少一个标准测试结果作为基准点。首先在专业EMC实验室用标准方法对被测试样品进行测试，获得标准测试结果。标准测试结果用以指明被测试样品的超标频率，这些频率的干扰将由应用黄金标样法通过计算机辅助EMC诊断来消除或降低。
* 复制标准实验室布局到用户现场。将被测试样品在专业EMC实验室的布局尽可能原封不动的复制到用户现场。假如无法复制，也要在离开实验室前将被测试样品的布线和摆放位置作好记号，捆扎好各种电缆，以便在用户现场准确还原。
* 在用户现场确定一个实验场所。该实验场所作为用户应用黄金标样法测试样品的专用场所，其电磁环境要尽量保持不变。
* 构造一个黄金标样。黄金标样由被测试样品的一个代表样本构成，样本的设置(包括软件版本)、电缆和周边设备是固定不变的。较理想的做法，是做一块与典型的 测试实验室工作台同样大小的木板，将被测对象及其电缆用胶固定，或者永久固定在木板上。这种永久固定、始终不变的组合就是黄金标样。在有些公司，将黄金标 样的代表样本及其电缆油漆成亮粉红色，并用强力胶固定在底板上，然后将黄金标样锁在一个偏僻场所，只留一把锁，或许是防止他人将黄金标样的某个部件卖给顾 客，或者将其部件拆用的唯一方法。要始终确保在黄金标样中使用同样的电缆，而不只是使用同样规格的电缆，即便是来自同样的供货商。
* 设置测试所需的仪器和辅助设备。为消除从电源端传导过来的干扰，被测试样品与外部电源的连接要通过LISN隔离。第一次测试时采用的测试设备，包括LISN和测试仪器的测试电缆和探头等及其设置和操作方法可任意调整，但第一次测试后就不可更改。
* 对被测试样品做第一次测试。在被测试样品上均匀选取若干点作为测试点。测试点要编号。如果用示波器测量，则每个测量点的测量波形要以图像和数据两种不同文 件形式和不同的文件名存储，文件名和测试点编号要一一对应并记录在案(最好能记入电子表格)。黄金标样、 LISN和测试仪器的摆放位置要拍照留底，以便下次测量时能准确恢复第一次测试的现场。各种记录要足够详尽，以便能使他人在许多年后也能对黄金标样进行重 复测试。
* 保存和利用原始黄金标样和测量结果模板。黄金标样的第一次测量时所用的样机被作为原始黄金标样精心保管，其测量结果将被作为测量结果模板以作为今后测量的 参照点。在应用黄金标样法的过程中，如果测试不经常进行，则每次测量时第一件要做的事就是先测试原始黄金标样。如果测量结果与模板相符，说明测量方法和系 统设置正确，无论下一步测试中的黄金标样中的样机是否更换了PCB，或者增加了微处理器或IC，或者根据上次测量结果作了其他改进，测量都可以立即进行。 如果测试是天天进行，则对原始黄金标样的测量可以每星期做一次以查看是否存在测量方法的“漂移”，或者天线、电缆、探头或其他设备受损。假如有一条天线被 变动，或者一条电缆断了又重新修复，重新测量原始黄金标样以确保可重复性。
* 在黄金标样基础上改进被测试样品设计。在原始黄金标样的底座上安装另一个被测试样品样本作为改进对象。根据对上一次测试并应用计算机EMC辅助诊断系统进 行分析的结果，对改进对象进行修改，然后对改进对象测试点测试并且再次应用计算机EMC辅助诊断系统分析测试结果。将每次分析结果与上一次结果对比，以确 保改进向正确方向发展，直至标准测试结果指出的超标干扰频率强度被降到预期水平以下。
2. 数据采集及其分析
        数据采集主要应考虑以下因素：

* 能反映被测试样机的电磁干扰分布，以便用户寻找干扰源；

* 测试方法简单易行，成本低；

* 测试可在用户现场随时进行。
数据分析方法主要应考虑以下因素：

* 能够通过对采集的数据分析，找出干扰源的物理位置；

* 操作简单，并能与常见电子产品计算机辅助设计软件接口；

* 通过与上次分析结果比较，评价对被测样机的修改效果，以指导用户按正确方向修改被测样机。
        目前，有一种EMC-Scanner系统 (电磁辐射和热辐射扫描系统)，用机械扫描的方法对被测对象扫描并用PC机显示电磁辐射和热辐射二维或三维图像。但被测试产品受扫描仪框架尺寸限制，且主要适用于产品的PCB板。
        另外一种正在研发中的计算机辅助EMC诊断系统，以电子产品生产厂家普遍拥有的数字示波器，依照黄金标样法在用户现场记录被 测试产品的电压波形并且以最新开发的EMCExplorer软件将被测试信号变换成时间-频率域信号，指出干扰在被测试样机中的具体位置和时间域中的位 置，并可对样机修改结果进行定量比较，使样机修改朝正确方向进行。EMCExplorer软件还可与现有的印刷电路板EDA软件(例如PROTEL)接口，直接分析EDA软件的仿真结果，实现电子产品设计阶段的EMC计算机辅助诊断。
应用实例
        一个典型的DC/DC变换器的EMC测试结果表明：EMI在频率4MHz,10MHz和13MHz超标。在变换器的印刷电路 上均匀选取一些测试点并进行编号(本例中我们选取19点，从00到18编号)，如图4所示。用数字示波器测试所选的测试点(本例中我们仅测量PCB板，但 实际应用中可从被测产品的任何部位采样)，每个点的测试波形保存成相应的数据文件(SC1.001-SC1.019),供EMCExplorer分析。 EMCExplorer对各测试点的13MHz干扰频率进行分析，得出图5结果，其中数据文件SC1.019(点18)和SC1.004(点03)的干扰 幅度最大。对各测试点的10MHz干扰频率分析得到相同结论。对各测试点的4MHz干扰频率分析表明点18干扰最大，点9其次。分析上述测试结果，我们发 现点3是接地点，干扰值却异常高。考虑到点3附近有T1震荡器，干扰很可能由此而起。进一步观察发现，T1接地焊接不良。重新焊接后再次测试，点3接地点 的13MHz干扰果然有所下降。考虑到点18是干扰的集中点，我们在点18和点0之间焊接一只300uf电容，13MHz和10MHz频率的EMI被进一 步降低到了标准曲线以下。
        我们转而对点9数据做时间-频率分析(图6)，图6中的上图为原始波形，中图为该波形的时间-频率分析，下图为该波形的傅 立叶变换。中图表明最严重的4 MHz干扰发生在时间0.012ms，0.022ms和0.042ms,虽然这些时刻的波形幅度在上图中看起来并非最大。根据这些时刻波形的相位关系，我 们查明这些波形分别由不同的开关二极管的开或关产生。用开或关速度较慢的开关二极管替代原有器件，我们有效的减低了这些时刻的4MHz干扰。
小结
        计算机辅助EMC诊断可以简化电子产品EMC达标流程中的EMC测试并可在用户现场随时进行，从而减少电子产品EMC达标的 费用和缩短达标周期。计算机辅助EMC诊断由数据采集和数据分析两部分组成，通过黄金标样法来正确实施。其中数据分析软件可以与印刷电路板EDA软件接 口，实现电子产品设计阶段的EMC计算机辅助诊断。