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在電子產(chǎn)品的EMC(電磁兼容)達(dá)標(biāo)流程中，減少循環(huán)次數(shù)或簡(jiǎn)化EMC測(cè)試方法，可以有效降低EMC達(dá)標(biāo)費(fèi)用和縮短達(dá)標(biāo)周期，基于這一思想本文提出了一種計(jì)算機(jī)輔助EMC設(shè)計(jì)和診斷方法。提出并詳細(xì)敘述了一種“黃金標(biāo)樣法”作為計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹了一例計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷的應(yīng)用案例。
電子產(chǎn)品在歐洲和美國等發(fā)達(dá)國家銷售以前必須達(dá)到EMC(電磁兼容)標(biāo)準(zhǔn)。2003年8月1日起強(qiáng)制執(zhí)行的中國CCC認(rèn)證也將EMC作為必檢項(xiàng)目。EMC測(cè)試通常包括對(duì)電子產(chǎn)品的電磁傳導(dǎo)性和輻射性發(fā)射測(cè)試以及抗干擾特性測(cè)試。這些測(cè)試日趨復(fù)雜并且只能在專業(yè)的EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，消耗大量人力物力從而測(cè)試費(fèi)用高昂。如果被測(cè)試樣品通不過EMC實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，則只能憑設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)對(duì)被測(cè)試樣品進(jìn)行整改，然后再送專業(yè)EMC 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以驗(yàn)證修改效果。如此周而復(fù)始，使得產(chǎn)品的EMC測(cè)試和改進(jìn)費(fèi)用無法控制，開發(fā)周期難以預(yù)測(cè)(圖1)。電子產(chǎn)品的EMC達(dá)標(biāo)不僅發(fā)生于新產(chǎn)品開發(fā)，而且貫穿于產(chǎn)品的生命周期。產(chǎn)品銷售期內(nèi)對(duì)產(chǎn)品的任何變更都將導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品EMC的重新認(rèn)證。因此尋求一種低成本的EMC達(dá)標(biāo)方式成了當(dāng)務(wù)之急。
計(jì)算機(jī)輔助EMC設(shè)計(jì)
從圖1可知，減少產(chǎn)品EMC達(dá)標(biāo)流程中的循環(huán)次數(shù)是解決上述矛盾的有效方法之一。計(jì)算機(jī)輔助EMC設(shè)計(jì)可以預(yù)先改善電子產(chǎn)品的EMC狀況，減少電子產(chǎn)品在EMC專業(yè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的次數(shù)(圖2)，從而降低EMC達(dá)標(biāo)成本，縮短EMC達(dá)標(biāo)周期，因此受到各國科研機(jī)構(gòu)的日益重視。目前比較典型的計(jì)算機(jī)輔助EMC設(shè)計(jì)軟件有美國ＡＮＳＯＦＴ公司的ＨＦＳＳ電磁場(chǎng)仿真軟件，以場(chǎng)的觀點(diǎn)應(yīng)用有限元法進(jìn)行求解，適用于天線的仿真；有ＩＮＮＯＶＥＤＡ公司的HyperLynx軟件，用電路的方法進(jìn)行印刷電路板的串?dāng)_和ＥＭＩ(電磁干擾)分析。其中場(chǎng)分析軟件使用復(fù)雜，應(yīng)用面窄，適應(yīng)于定性分析；電路分析軟件局限于印刷電路板的局部線段(結(jié)點(diǎn))的EMC評(píng)估，難以全面反映信號(hào)疊加后的狀況。EMC輔助設(shè)計(jì)軟件價(jià)格昂貴也限制了它們的廣泛應(yīng)用。
計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷
由圖1可知，降低EMC達(dá)標(biāo)成本，縮短EMC達(dá)標(biāo)周期的另一種有效方法是簡(jiǎn)化EMC測(cè)試和降低測(cè)試成本。計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷就是這樣一種方法(圖3)。由圖3可知，EMC達(dá)標(biāo)流程中樣機(jī)修改后不再送EMC專業(yè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，而是在用戶現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷驗(yàn)證修改效果，從而加速了達(dá)標(biāo)進(jìn)程；由于計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷相對(duì)專業(yè)EMC實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而言費(fèi)用低廉，從而降低了達(dá)標(biāo)費(fèi)用。
計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷通常由兩部分組成：對(duì)被測(cè)試對(duì)象的物理測(cè)試和對(duì)測(cè)試結(jié)果的軟件分析。而黃金標(biāo)樣法是正確實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷的基礎(chǔ)。
1. 黃金標(biāo)樣法
黃金標(biāo)樣法是一種有效的協(xié)助EMC低成本測(cè)試獲得合理和可重復(fù)結(jié)果的手段。其實(shí)施步驟如下：
* 獲取至少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果作為基準(zhǔn)點(diǎn)。首先在專業(yè)EMC實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)被測(cè)試樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果用以指明被測(cè)試樣品的超標(biāo)頻率，這些頻率的干擾將由應(yīng)用黃金標(biāo)樣法通過計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷來消除或降低。
* 復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室布局到用戶現(xiàn)場(chǎng)。將被測(cè)試樣品在專業(yè)EMC實(shí)驗(yàn)室的布局盡可能原封不動(dòng)的復(fù)制到用戶現(xiàn)場(chǎng)。假如無法復(fù)制，也要在離開實(shí)驗(yàn)室前將被測(cè)試樣品的布線和擺放位置作好記號(hào)，捆扎好各種電纜，以便在用戶現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確還原。
* 在用戶現(xiàn)場(chǎng)確定一個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所作為用戶應(yīng)用黃金標(biāo)樣法測(cè)試樣品的專用場(chǎng)所，其電磁環(huán)境要盡量保持不變。
* 構(gòu)造一個(gè)黃金標(biāo)樣。黃金標(biāo)樣由被測(cè)試樣品的一個(gè)代表樣本構(gòu)成，樣本的設(shè)置(包括軟件版本)、電纜和周邊設(shè)備是固定不變的。較理想的做法，是做一塊與典型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)同樣大小的木板，將被測(cè)對(duì)象及其電纜用膠固定，或者永久固定在木板上。這種永久固定、始終不變的組合就是黃金標(biāo)樣。在有些公司，將黃金標(biāo)樣的代表樣本及其電纜油漆成亮粉紅色，并用強(qiáng)力膠固定在底板上，然后將黃金標(biāo)樣鎖在一個(gè)偏僻場(chǎng)所，只留一把鎖，或許是防止他人將黃金標(biāo)樣的某個(gè)部件賣給顧客，或者將其部件拆用的唯一方法。要始終確保在黃金標(biāo)樣中使用同樣的電纜，而不只是使用同樣規(guī)格的電纜，即便是來自同樣的供貨商。
* 設(shè)置測(cè)試所需的儀器和輔助設(shè)備。為消除從電源端傳導(dǎo)過來的干擾，被測(cè)試樣品與外部電源的連接要通過LISN隔離。第一次測(cè)試時(shí)采用的測(cè)試設(shè)備，包括LISN和測(cè)試儀器的測(cè)試電纜和探頭等及其設(shè)置和操作方法可任意調(diào)整，但第一次測(cè)試后就不可更改。
* 對(duì)被測(cè)試樣品做第一次測(cè)試。在被測(cè)試樣品上均勻選取若干點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)要編號(hào)。如果用示波器測(cè)量，則每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量波形要以圖像和數(shù)據(jù)兩種不同文件形式和不同的文件名存儲(chǔ)，文件名和測(cè)試點(diǎn)編號(hào)要一一對(duì)應(yīng)并記錄在案(最好能記入電子表格)。黃金標(biāo)樣、 LISN和測(cè)試儀器的擺放位置要拍照留底，以便下次測(cè)量時(shí)能準(zhǔn)確恢復(fù)第一次測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)。各種記錄要足夠詳盡，以便能使他人在許多年后也能對(duì)黃金標(biāo)樣進(jìn)行重復(fù)測(cè)試。
* 保存和利用原始黃金標(biāo)樣和測(cè)量結(jié)果模板。黃金標(biāo)樣的第一次測(cè)量時(shí)所用的樣機(jī)被作為原始黃金標(biāo)樣精心保管，其測(cè)量結(jié)果將被作為測(cè)量結(jié)果模板以作為今后測(cè)量的參照點(diǎn)。在應(yīng)用黃金標(biāo)樣法的過程中，如果測(cè)試不經(jīng)常進(jìn)行，則每次測(cè)量時(shí)第一件要做的事就是先測(cè)試原始黃金標(biāo)樣。如果測(cè)量結(jié)果與模板相符，說明測(cè)量方法和系統(tǒng)設(shè)置正確，無論下一步測(cè)試中的黃金標(biāo)樣中的樣機(jī)是否更換了PCB，或者增加了微處理器或IC，或者根據(jù)上次測(cè)量結(jié)果作了其他改進(jìn)，測(cè)量都可以立即進(jìn)行。如果測(cè)試是天天進(jìn)行，則對(duì)原始黃金標(biāo)樣的測(cè)量可以每星期做一次以查看是否存在測(cè)量方法的“漂移”，或者天線、電纜、探頭或其他設(shè)備受損。假如有一條天線被變動(dòng)，或者一條電纜斷了又重新修復(fù)，重新測(cè)量原始黃金標(biāo)樣以確保可重復(fù)性。
* 在黃金標(biāo)樣基礎(chǔ)上改進(jìn)被測(cè)試樣品設(shè)計(jì)。在原始黃金標(biāo)樣的底座上安裝另一個(gè)被測(cè)試樣品樣本作為改進(jìn)對(duì)象。根據(jù)對(duì)上一次測(cè)試并應(yīng)用計(jì)算機(jī)EMC輔助診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析的結(jié)果，對(duì)改進(jìn)對(duì)象進(jìn)行修改，然后對(duì)改進(jìn)對(duì)象測(cè)試點(diǎn)測(cè)試并且再次應(yīng)用計(jì)算機(jī)EMC輔助診斷系統(tǒng)分析測(cè)試結(jié)果。將每次分析結(jié)果與上一次結(jié)果對(duì)比，以確保改進(jìn)向正確方向發(fā)展，直至標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果指出的超標(biāo)干擾頻率強(qiáng)度被降到預(yù)期水平以下。
2. 數(shù)據(jù)采集及其分析
數(shù)據(jù)采集主要應(yīng)考慮以下因素：
* 能反映被測(cè)試樣機(jī)的電磁干擾分布，以便用戶尋找干擾源；
* 測(cè)試方法簡(jiǎn)單易行，成本低；
* 測(cè)試可在用戶現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)進(jìn)行。
數(shù)據(jù)分析方法主要應(yīng)考慮以下因素：
* 能夠通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析，找出干擾源的物理位置；
* 操作簡(jiǎn)單，并能與常見電子產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口；
* 通過與上次分析結(jié)果比較，評(píng)價(jià)對(duì)被測(cè)樣機(jī)的修改效果，以指導(dǎo)用戶按正確方向修改被測(cè)樣機(jī)。
目前，有一種EMC-Scanner系統(tǒng) (電磁輻射和熱輻射掃描系統(tǒng))，用機(jī)械掃描的方法對(duì)被測(cè)對(duì)象掃描并用PC機(jī)顯示電磁輻射和熱輻射二維或三維圖像。但被測(cè)試產(chǎn)品受掃描儀框架尺寸限制，且主要適用于產(chǎn)品的PCB板。
另外一種正在研發(fā)中的計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷系統(tǒng)，以電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家普遍擁有的數(shù)字示波器，依照黃金標(biāo)樣法在用戶現(xiàn)場(chǎng)記錄被測(cè)試產(chǎn)品的電壓波形并且以最新開發(fā)的EMCExplorer軟件將被測(cè)試信號(hào)變換成時(shí)間-頻率域信號(hào)，指出干擾在被測(cè)試樣機(jī)中的具體位置和時(shí)間域中的位置，并可對(duì)樣機(jī)修改結(jié)果進(jìn)行定量比較，使樣機(jī)修改朝正確方向進(jìn)行。EMCExplorer軟件還可與現(xiàn)有的印刷電路板EDA軟件(例如PROTEL)接口，直接分析EDA軟件的仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的EMC計(jì)算機(jī)輔助診斷。
應(yīng)用實(shí)例
一個(gè)典型的DC/DC變換器的EMC測(cè)試結(jié)果表明：EMI在頻率4MHz,10MHz和13MHz超標(biāo)。在變換器的印刷電路上均勻選取一些測(cè)試點(diǎn)并進(jìn)行編號(hào)(本例中我們選取19點(diǎn)，從00到18編號(hào))，如圖4所示。用數(shù)字示波器測(cè)試所選的測(cè)試點(diǎn)(本例中我們僅測(cè)量PCB板，但實(shí)際應(yīng)用中可從被測(cè)產(chǎn)品的任何部位采樣)，每個(gè)點(diǎn)的測(cè)試波形保存成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件(SC1.001-SC1.019),供EMCExplorer分析。 EMCExplorer對(duì)各測(cè)試點(diǎn)的13MHz干擾頻率進(jìn)行分析，得出圖5結(jié)果，其中數(shù)據(jù)文件SC1.019(點(diǎn)18)和SC1.004(點(diǎn)03)的干擾幅度最大。對(duì)各測(cè)試點(diǎn)的10MHz干擾頻率分析得到相同結(jié)論。對(duì)各測(cè)試點(diǎn)的4MHz干擾頻率分析表明點(diǎn)18干擾最大，點(diǎn)9其次。分析上述測(cè)試結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3是接地點(diǎn)，干擾值卻異常高?？紤]到點(diǎn)3附近有T1震蕩器，干擾很可能由此而起。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，T1接地焊接不良。重新焊接后再次測(cè)試，點(diǎn)3接地點(diǎn)的13MHz干擾果然有所下降?？紤]到點(diǎn)18是干擾的集中點(diǎn)，我們?cè)邳c(diǎn)18和點(diǎn)0之間焊接一只300uf電容，13MHz和10MHz頻率的EMI被進(jìn)一步降低到了標(biāo)準(zhǔn)曲線以下。
我們轉(zhuǎn)而對(duì)點(diǎn)9數(shù)據(jù)做時(shí)間-頻率分析(圖6)，圖6中的上圖為原始波形，中圖為該波形的時(shí)間-頻率分析，下圖為該波形的傅立葉變換。中圖表明最嚴(yán)重的4 MHz干擾發(fā)生在時(shí)間0.012ms，0.022ms和0.042ms,雖然這些時(shí)刻的波形幅度在上圖中看起來并非最大。根據(jù)這些時(shí)刻波形的相位關(guān)系，我們查明這些波形分別由不同的開關(guān)二極管的開或關(guān)產(chǎn)生。用開或關(guān)速度較慢的開關(guān)二極管替代原有器件，我們有效的減低了這些時(shí)刻的4MHz干擾。
小結(jié)
計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷可以簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC達(dá)標(biāo)流程中的EMC測(cè)試并可在用戶現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)進(jìn)行，從而減少電子產(chǎn)品EMC達(dá)標(biāo)的費(fèi)用和縮短達(dá)標(biāo)周期。計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩部分組成，通過黃金標(biāo)樣法來正確實(shí)施。其中數(shù)據(jù)分析軟件可以與印刷電路板EDA軟件接口，實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的EMC計(jì)算機(jī)輔助診斷。
