产品EMC风险评估技术解读
2018-08-10
产品EMC风险评估技术解读
1 EMC技术的现状与需求
很多企业和设备工程设计者一直在探索一种产品的EMC设计分析方法，它根据产品的实际设计情况，对应产品EMC设计的EMC相关因素逐个进行分析，过程中设计者可以发现产品EMC设计的缺陷，然而，在工程应用中，还有存在如下问题和需求：
1) 某一个EMC设计点做不到是否会导致EMC测试失败？或某一个EMC设计点我做了是否EMC测试就可以通过？
2) 设计者虽然明白某些措施是有效的，但总是在成本、付出与EMC测试成败的结果之间犹豫，简单的说总是有一个问题困扰着设计者,”我知道此措施有效，但在不加此措施的情况下，是否也有可能让产品EMC测试通过？”
不进行EMC测试的情况下，是否能否评定产品的EMC性能？
2 产品EMC设计风险评估概念与目的
EMC风险评估旨在为有效的设备、系统或工程现场的EMC风险应对提供基于证据的信息和分析，按手段分类可以分为EMC设计风险评估和EMC测试风险评估。EMC测试风险评估基于EMC测试。EMC测试风险评估已是目前普遍而常用的评估技术，一般直接称为“EMC测试“，最终的输出是EMC测试报告。EMC设计风险评估基于EMC设计，利用风险评估的手段对产品的EMC设计方案进行评估，这样可以评价或预知产品的EMC性能或EMC测试的通过率。
产品EMC设计风险评估是一项利用成熟的风险评估技术和手段对产品、系统的EMC设计特性而展开的一项评估活动，它可以独立存在也可以在企业开展的风险管理过程中与其它活动（如EMC测试、EMC对策、评审沟通等）相结合。
3 EMC设计风险评估原则和依据
EMC设计风险评估的依据是通过分析产品的机械架构和PCB设计，以评估产品EMC测试失败的可能性。一般包括两个组成部分：
a) 产品的机械构架EMC设计风险评估；
b) PCB EMC设计的风险评估。
4 EMC设计风险评估基础机理和模型
4.1 产品机械构架EMC设计风险评估机理和理想模型
4.1.1产品机械构架设计EMC风险评估机理
产品的EMC设计的风险在于抗干扰（EMS）和电磁干扰（EMI）两部分，其中，对抗干扰来说，其风险评估机理是基于分析产品EMC设计分析方法，即当产品的某个端口注入同样大小的高频共模电压或同样大小的共模电流时，不同的产品设计方案，就有不同大小的共模电流流过PCB，可以通过判断流过PCB板的共模电流大小来评估产品机械构架设计的EMC抗扰度风险。机械构架设计中影响这种共模电流大小的因素即为产品机械构架抗干扰风险评估要素。
对EMI，当产品处于正常工作状态时，由于产品内部的信号传递，导致内部的有用信号或噪声无意中以共模电流的方式传导到产品中可以成为等效天线的导体，形成辐射发射，如果这种无意中产生的共模电流，在传导骚扰测量时传导到测量设备LISN时，就产生传导骚扰问题，产品机械构架设计的改变会改变这种电流的传递路径与大小，较好的产品机械构架设计可以使得这种共模电流最小化，即风险最小，反之则反。机械构架设计中影响EMI电流大小的因素即为产品机械构架EMI风险评估要素。
总之，产品EMC设计分析方法的获得是工程人员能对产品EMC设计进行风险评估的前提。
4.1.2产品机械构架设计EMC风险评估理想模型
产品EMC设计风险评估理想模型表示一个具有完美EMC设计方案的产品，产品EMC设计风险评估理想模型表示没有EMC风险。产品机械构架EMC风险评估理想模型是一个在构架设计上能符合所有产品机械构架EMC设计的相关点要求的产品。
产品机械构架EMC风险评估理想模型可按照如下图1所示：
图1 产品机械构架设计EMC风险评估理想模型
为了达到理想模型，以下设计点必须做到完美：
A：电缆的连接位置
B: 屏蔽电缆屏蔽层的搭接
C: PCB外部的电源和信号输入端口的滤波和防护
D：PCB板的工作地与金属壳体之间的互连
E：不同PCB板之间的工作地的互连（通常通过结构件实现）
F: 产品内部PCB互连信号端口的滤波和防护
G: 壳体各个金属部件之间的搭接（考虑阻抗与缝隙处理）方式
H: 进入壳体后的电缆、连接器、PCB(可能有)、PCB板的工作地与金属壳体之间的互连及产品金属壳体之间所组成的回路面积。
I: PCB间的信号互连
J：壳体接地线
K:产品防ESD击穿的风险评估
4.2 PCB设计的EMC风险评估机理和理想模型
4.2.1 PCB设计EMC风险评估机理
产品PCB设计的EMC风险评估是通过分析产品PCB端口电路受干扰机理和共模干扰电流流经PCB时对电路形成干扰的工作机理的基础上进行的，目的是为了评估PCB的电路可能存在的EMC风险等级。
产品PCB设计的EMC风险评估的机理也从抗干扰和EMI两方面描述：
一方面，当同样大小的高频共模干扰电压同时施加在信号电缆中的信号线和地线上时，如果不存在接口电路端口上的滤波电容,那么由于信号线与地线上的负载阻抗不一样（信号线的负载阻抗较高）,共模干扰信号将会转变成差模信号施加在器件信号端口和地之间。同时，在信号线上的电流也会很小，而大部分电流会沿着地线流动；如果存在接口电路端口上的滤波电容，电流经过滤波电容后也会流向地线，并与电缆中地线上的电流叠加在一起形成流入PCB板的共模电流。可见，无论是否存在滤波电容,在产品内部，评估PCB中地阻抗是评估PCB的抗干扰能力的要素。
同时，干扰电流也会因为PCB中印制线之间的寄生电容（串扰），及PCB板中印制线与参考接地板之间的寄生电容形成回路。 可见PCB中印制线之间的寄生电容（串扰），及PCB板中印制线与参考接地板之间的寄生电容的大小直接影响PCB中电路受到的干扰大小，也是评估PCB板的抗干扰能力要素之一。
另一方面，PCB中高频信号在工作地上回流时，也会产生压降。该压降会引起流向外部的共模电流，引起辐射，同时，PCB内部的高频信号也会因为PCB中印制线之间的寄生电容（串扰），及PCB板中印制线与参考接地板之间的寄生电容形成回路，这些回路中存在等效发射天线时，即产生辐射。 可见地阻抗，PCB中印制线之间的寄生电容（串扰），及PCB板中印制线与参考接地板之间的寄生电容的大小直接影响PCB对外的辐射大小，是评估PCB板的抗EMI水平的要素之一。
4.2.2 PCB EMC设计的理想模型
PCB EMC风险评估理想模型是一个在PCB设计上能符合所有原理图和PCB的EMC设计相关点要求的PCB。PCB的EMC设计理想模型如下图2所示：
图2 PCB EMC设计风险评估理想模型
PCB的EMC理想模型将PCB中的导体分为A、B、C、D、E、F5类，并对5类区域进行完美的EMC设计（存在完美的EMC设计方案），按这5个分类PCB的EMC设计的风险评估要素（评估点）也可分为：
A:“脏”的区域；
B: 滤波、去耦、防护、串扰防止或隔离；
C: “干净”区域：
D: 内部噪声区域、敏感电路区域；
E: 地平面；
F: 层叠。
5 EMC设计风险评估步骤
根据标准的风险评估程序，可将EMC设计风险评估分为如下步骤进行：
1） EMC设计风险评估识别；
2） EMC设计风险分析；
3） EMC设计风险评价；
4） 风险评估报告。
风险评估是由风险识别、风险分析和风险评价构成的一个完整过程。通常风险评估活动内嵌于风险管理过程中，与其他风险管理活动紧密融合并互相推动。为便于理解，图3是EMC设计风险评估流程图，表达了整个风险评估过程及风险评估过程中的关键参数描述。
图3 EMC设计风险评估流程图
6 EMC设计风险评估识别
6.1 产品机械构架EMC设计风险识别
产品的机械构架EMC设计风险识别是基于已建立的EMC机械构架设计理想模型上，对产品进行相对应的描述而进行的。EMC风险识别之前，设计者需要给出产品机械构架信息，它可以是产品的具体机械构架图，配以表格来描述机械构架中产品接地情况、电缆类型及数量、壳体的材料、壳体有无缝隙等信息。
产品机械构架EMC设计部分风险评估要素（评估点）需要列出关键信息应见表1：
表1 产品机械构架EMC设计风险评估要素（评估点）信息表
6.2 产品PCBEMC设计风险识别
产品的PCB EMC设计风险识别是基于已建立的PCB EMC设计理想模型上，对产品中的各PCB进行相对应的描述而进行的。EMC风险识别之前，设计者需要描述PCB对应电路原理图并对其进行EMC描述。具体描述的信息应包括PCB设计 EMC风险评估理想模型中所涵盖的风险评估要素，并对具体采用方式加以说明。
7 EMC设计风险分析
产品的EMC设计风险分析根据产品已经识别的EMC风险评估要素（评估点）的关键信息，按产品机械构架和电路板的EMC设计理想模型进行评估分析，并获取分析结果，如 屏蔽电缆的屏蔽层搭接：
屏蔽电缆的存在将导致本来要流入信号线的干扰电流转移至屏蔽层上，电缆屏蔽会降低流入电缆及PCB上的共模干扰电流。为了充分发挥电缆屏蔽层的屏蔽效能，减小Pigtail效应，屏蔽层必须在连接器入口处与接地的金属板或金属连接器外壳相连，并做360度搭接，对于浮地设备必须与GND连接。用下表2屏蔽电缆的屏蔽层搭接评估要素的风险等级所述来确定该评估要素的风险等级。
表2屏蔽电缆的屏蔽层搭接评估要素的风险等级
又如：产品内部PCB互连信号端口的滤波和防护
PCB板之间的信号是产品抗干扰性能最薄弱的环节，如果PCB板之间互连线两边的工作地没有通过低阻抗的金属体进行互连，就意味着干扰电流流过一定会经过互连排线/针，则应对所有互连连接器中的信号进行滤波处理，没有滤波和防护的互连信号端口是高EMC风险信号。用下表3产品内部PCB互连信号端口的滤波和防护评估要素的风险等级所述来确定该评估要素的风险等级。
表3 产品内部PCB互连信号端口的滤波和防护评估要素的风险等级
8 EMC设计风险评价
基于EMC设计风险评估要素（评估点）的风险分析，设计者可以得到的每个风险评估要素（评估点）得风险等级为“高”、“中”、“低”三类，同时,可利用风险指数法，EMC风险评估专家或评估团队还需要对每个风险评估要素（评估点）得出的三类等级赋于一定的值，即EMC设计风险评估要素的风险值。在获得每个EMC设计风险要素的风险等级和风险值的基础上，EMC风险评估专家或评估团队还可以通过EMC设计风险评价的计算获得产品整机EMC设计的风险值，产品整机EMC设计风险值的获得是获得产品整机风险等级的关键一步，而产品整机风险等级必须与产品的应用环境或EMC测试的等级要求紧密结合。
鉴于EMC设计风险要素的风险影响程度（风险系数）不同，对于风险影响程度等级为“Ⅰ”级（直接会导致EMC测试失败的因素）的EMC设计风险要素，当它的风险分析结果为风险等级高或风险值为100时，一定会导致产品整机EMC设计较高的风险值和风险等级。同时，EMC风险评估专家或评估团队还可以把风险等级按产品EMC测试项目的分类分成产品整机抗干扰风险等级和产品整机EMI风险等级。
对于产品整机抗干扰EMC设计风险等级：
当F1X=100时，R>80
当F1X≠100时，
R=K1×(F11+F13+…+F1n)/n+ K2×(F21+F22+…+F2m)/m+ K3×(F31+F32+…+F3L)/L…(1)
公式（1）中F12、F35不存在。
其中：
RI：产品整机抗干扰EMC设计风险值，为0~100；
Fxx: 风险评估要素的得分为0~100，由EMC设计风险评估专家基于EMC设计风险评估要素的风险等级和产品实际情况分析确认；
K1: 0.5；
K2: 0.3；
K3: 0.2。
基于以上产品整机抗扰度EMC设计风险值结果，再根据产品所选择的应用环境等级，按下表4最终确定产品整机抗干扰EMC设计风险等级。
表4产品整机抗干扰EMC设计风险等级表
9 风险评估技术的应用意义
正确使用EMC风险评估技术，将揭开产品的黑盒，可以无需EMC测试而对产品进行EMC性能进行评价或合格评定，达到不进行昂贵的EMC测试就可以评定产品的EMC性能，也可以作为产品进行正式EMC测试之前的预评估，以降低企业研发测试成本。
产品的设计者或使用者，如果使用正确的EMC风险评估技术，就可以清楚的看到被评估产品在EMC方面存在的优点、缺陷与风险，而且通过对优点、缺陷与风险的分析和评估，可以预测产品EMC测试的通过率，通过这种概率可以帮助设计者作出是否需要增加成本去继续改进自己的设计，降低EMC测试失败的风险概率。
