目前我國很多企業(yè)缺乏針對產(chǎn)品 EMC 設(shè)計的流程和方法，很多工程師也沒有接受過系統(tǒng)的 EMC 培訓(xùn) ，因此相比其他功能性能測試，電磁兼容測試是電子工程師最頭痛的一項(xiàng)。很多電子設(shè)備在設(shè)計之初是不知能否通過電磁兼容性考核的，一般是通過 EMC 測試，發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)，進(jìn)行整改，再次進(jìn)行相關(guān)測試，直到通過考核為止。如果工程師缺乏相應(yīng)的整改經(jīng)驗(yàn)，則會出現(xiàn)遇到問題不知如何下手，或是進(jìn)行初步整改無法通過試驗(yàn)后，不知該如何進(jìn)一步實(shí)施整改。利用電磁兼容風(fēng)險評估方法，可以根據(jù)各風(fēng)險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)險評估模型

電磁兼容風(fēng)險評估是一種為產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險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估方法，目前已發(fā)布 GB/Z 37150-2019《電磁兼容可靠性評估導(dǎo)則》、GB/ T 38659.1-2020《電磁兼容風(fēng)險評估 第 1 部分 ：電子電氣設(shè)備》 等多個國家標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn) 將該方法用于產(chǎn)品正向的 EMC 設(shè)計和 EMC 合格評價。針對高鐵列控系統(tǒng)車載設(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，用于評估設(shè)備的電磁兼容風(fēng)險。

電磁兼容風(fēng)險評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)要素會導(dǎo)致 EMC 測試不通過，各種要素導(dǎo)致 EMC 測試不通過的風(fēng)險不一樣。

因此，對確定的電子設(shè)備存在一種理想的電磁兼容設(shè)計模型，這種模型規(guī)避了已知的電磁兼容設(shè)計風(fēng)險。

將 EMC 測試不通過產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計信息與理想模型中的所有風(fēng)險要素進(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)險評估方法核心是研究共模電流對產(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位置、屏蔽電纜屏蔽層的搭接、外部電源和信號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 ：噪聲信號區(qū)域的設(shè)計、濾波、去耦、串?dāng)_防止、地平面、特殊信號設(shè)計、敏感信號設(shè)計等。

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

2 EMC 風(fēng)險影響程度等級

對理想 EMC 模型中風(fēng)險要素按影響程度可劃分為I、II、III、IV 四個級別 ：

I 級 ：特定條件下不能滿足時，一定會導(dǎo)致某項(xiàng)測試失敗 ;

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

III 級 ：不能滿足時，不一定會導(dǎo)致測試失敗，但影響是直接的，而且相對較大 ;

IV 級 ：不能滿足時，不一定會導(dǎo)致測試失敗，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)險要素的描述。然而這些風(fēng)險要素并不是包治百病的良方，產(chǎn)品的實(shí)際情況往往千差萬別。評估電子產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險要素的影響程度等級，可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)后對其進(jìn)行擴(kuò)展，再進(jìn)行深入的排查和分析。常見的EMC 相關(guān)風(fēng)險要素描述見表 1。

3 基于電磁兼容風(fēng)險評估的 EMC 整改方法

當(dāng)遇到電磁兼容問題時，可利用風(fēng)險評估模型提供的各風(fēng)險要素信息幫助分析定位問題來源，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 個可進(jìn)行風(fēng)險評價的單元。風(fēng)險評估單元劃分的目的是讓同種風(fēng)險要素分配到不同的風(fēng)險評估單元，即一個風(fēng)險評估單元對應(yīng)一個風(fēng)險要素。對電子設(shè)備整機(jī)來說，可從電纜和電路板入手劃分風(fēng)險評估模型。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相對獨(dú)立的單元。

通常情況下，產(chǎn)品 EMC 風(fēng)險要素中的殼體和接地線會在一個產(chǎn)品的每個風(fēng)險評估單元中反復(fù)出現(xiàn)，被重復(fù)使用。

然后，按照產(chǎn)品及各個風(fēng)險評價單元實(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)險要素，確定好各風(fēng)險要素的影響程度等級。

將各個評估單元的風(fēng)險要素逐個列出后，為便于逐個排查真正的影響要素，可以按照影響程度和所屬單元序號列成風(fēng)險要素分布矩陣圖，如圖 2 所示。所有具有 I 級和 II 級影響程度等級的單元都應(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。

在排查過程中，應(yīng)按照影響程度等級優(yōu)先的原則，從矩陣圖的左上角開始，按從左到右，從上到下的順序?qū)γ總€影響要素進(jìn)行分析。這一過程需根據(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，先對最高等級風(fēng)險要素進(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)測試。如果順利通過，則停止整改，如仍然存在不合格項(xiàng)，則繼續(xù)對次高級風(fēng)險要素進(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)行測試 ;依次類推，直到最終完成整改試驗(yàn)。整個改進(jìn)的流程如圖 3 所示。

在改進(jìn)過程中，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。

需要注意的是對于 RE102 輻射發(fā)射這樣的電磁兼容問題，一個輻射源可能會導(dǎo)致多個超標(biāo)頻率點(diǎn)，而一個超標(biāo)的頻率點(diǎn)又可能來自多個輻射源。因此在進(jìn)行整改時，應(yīng)針對最大輻射頻率點(diǎn)進(jìn)行問題定位和采取技術(shù)措施 ;同時針對某個超標(biāo)頻率采取技術(shù)措施，發(fā)現(xiàn)沒有效果或效果不理想時，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，針對每一個風(fēng)險要素的措施應(yīng)反復(fù)嘗試，直至確實(shí)沒有改進(jìn)余地為止。

4 基于電磁兼容風(fēng)險評估的整改實(shí)例

某型綜合控制計算機(jī)，在 RE102 測試中出現(xiàn)垂直極化場 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。為快速定位問題，采用了基于風(fēng)險評估模型的整改方法。

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 個風(fēng)險評估單元，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 中的信號中沒有敏感信號也沒有時鐘等高頻振蕩電路，因此其沒有表 1 中的風(fēng)險要素⑥和要素⑦ ;單元 2 負(fù)責(zé)與外部的相互通信及對外部輸入信號的調(diào)理 ;單元 3 負(fù)責(zé)進(jìn)行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制律解算，并輸出相關(guān) PWM 驅(qū)動信號 ;單元 4 接收 PWM 驅(qū)動信號，對外輸出功率斬波。可以看到風(fēng)險評估單元 1、單元 2、單元 4 既有電纜也有 PCB，其風(fēng)險要素包括機(jī)械架構(gòu)和 PCB 兩方面 ;風(fēng)險評估單元 3 只有 PCB 沒有電纜，因此其風(fēng)險要素只包含 PCB。

根據(jù)上述分析，列出風(fēng)險評估單元 1、單元 2、單元 4 的風(fēng)險影響程度等級為 I 級的風(fēng)險要素信息。表 2 是風(fēng)險要素影響程度等級為I 級和 II 級的風(fēng)險要素列表，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)險評估單元的實(shí)際設(shè)計情況，可以列出某型控制計算機(jī)的風(fēng)險矩陣圖，并在此基礎(chǔ)上繪制出排查路線圖，如圖 6 所示。

接下來就是按路線圖逐個要素進(jìn)行分析和整改 ：

1)I 類影響要素

單元 1 ：具有外部電源輸入，先考慮 I 類影響要素。結(jié)合要素①推測其濾波效果會影響到 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 曲線無明顯變化，但電路發(fā)生了嘯叫，說明增大過大，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)對外通信及輸入信號調(diào)理。結(jié)合要素①，接口電路均有相關(guān)濾波設(shè)計 ;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，測試效果不甚理想 ;結(jié)合要素⑦，內(nèi)部電纜本來就距離晶振、功率開關(guān)等噪聲源較遠(yuǎn)， 嘗試將其固定在更遠(yuǎn)的位置，測試無效果。

單元 3 ：具有高頻時鐘電路，但從測試看輻射波形中未見對應(yīng)頻率的尖刺。

單元 4：接收 PWM 驅(qū)動信號，對外輸出功率斬波，其本身即為較大的噪聲源。結(jié)合要素①，對外連接電纜在原有電纜加屏蔽層，測試基本沒有效果。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，測試結(jié)果依然基本不變。I 類影響要素均已遍歷完成。

2) II 類影響要素

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，已無改善空間。

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

5 結(jié)語

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