在電子產(chǎn)品的EMC(電 磁兼容)達標流程中，減少循環(huán)次數(shù)或簡化EMC測試方法，可以有效降低EMC達標費用和縮短達標周期，基于這一思想本文提出了一種計算機輔助EMC設(shè)計和 診斷方法。提出并詳細敘述了一種“黃金標樣法”作為計算機輔助EMC診斷的基礎(chǔ)，簡要介紹了一例計算機輔助EMC診斷的應(yīng)用案例。
在電子產(chǎn)品的EMC(電磁兼容)達標流程中，減少循環(huán)次數(shù)或簡化EMC測試方法，可以有效降低EMC達標費用和縮短達標周 期，基于這一思想本文提出了一種計算機輔助EMC設(shè)計和診斷方法。提出并詳細敘述了一種“黃金標樣法”作為計算機輔助EMC診斷的基礎(chǔ)，簡要介紹了一例計 算機輔助EMC診斷的應(yīng)用案例。
電子產(chǎn)品在歐洲和美國等發(fā)達國家銷售以前必須達到EMC(電磁兼容)標準。2003年8月1日起強制執(zhí)行的中國CCC認證 也將EMC作為必檢項目。EMC測試通常包括對電子產(chǎn)品的電磁傳導(dǎo)性和輻射性發(fā)射測試以及抗干擾特性測試。這些測試日趨復(fù)雜并且只能在專業(yè)的EMC實驗室 進行，消耗大量人力物力從而測試費用高昂。如果被測試樣品通不過EMC實驗室的測試，則只能憑設(shè)計工程師的經(jīng)驗對被測試樣品進行整改，然后再送專業(yè)EMC 實驗室測試以驗證修改效果。如此周而復(fù)始，使得產(chǎn)品的EMC測試和改進費用無法控制，開發(fā)周期難以預(yù)測(圖1)。電子產(chǎn)品的EMC達標不僅發(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)對產(chǎn)品的任何變更都將導(dǎo)致對產(chǎn)品EMC的重新認證。因此尋求一種低成本的EMC達標方式成了當務(wù)之急。
計算機輔助EMC設(shè)計
從圖1可知，減少產(chǎn)品EMC達標流程中的循環(huán)次數(shù)是解決上述矛盾的有效方法之一。計算機輔助EMC設(shè)計可以預(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)實驗室測試的次數(shù)(圖2)，從而降低EMC達標成本，縮短EMC達標周期，因此受到各國科研機構(gòu)的日益重視。目前 比較典型的計算機輔助EMC設(shè)計軟件有美國ＡＮＳＯＦＴ公司的ＨＦＳＳ電磁場仿真軟件，以場的觀點應(yīng)用有限元法進行求解，適用于天線的仿真；有 ＩＮＮＯＶＥＤＡ公司的HyperLynx軟件，用電路的方法進行印刷電路板的串擾和ＥＭＩ(電磁干擾)分析。其中場分析軟件使用復(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)的EMC評估，難以全面反映信號疊加后的狀況。EMC輔助設(shè)計軟件價格昂貴也限制了它們的廣泛 應(yīng)用。
計算機輔助EMC診斷
由圖1可知，降低EMC達標成本，縮短EMC達標周期的另一種有效方法是簡化EMC測試和降低測試成本。計算機輔助EMC診 斷就是這樣一種方法(圖3)。由圖3可知，EMC達標流程中樣機修改后不再送EMC專業(yè)實驗室測試，而是在用戶現(xiàn)場隨時應(yīng)用計算機輔助EMC診斷驗證修改 效果，從而加速了達標進程；由于計算機輔助EMC診斷相對專業(yè)EMC實驗室測試而言費用低廉，從而降低了達標費用。
計算機輔助EMC診斷通常由兩部分組成：對被測試對象的物理測試和對測試結(jié)果的軟件分析。而黃金標樣法是正確實施計算機輔助EMC診斷的基礎(chǔ)。
1. 黃金標樣法
黃金標樣法是一種有效的協(xié)助EMC低成本測試獲得合理和可重復(fù)結(jié)果的手段。其實施步驟如下：
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獲取至少一個標準測試結(jié)果作為基準點。首先在專業(yè)EMC實驗室用標準方法對被測試樣品進行測試，獲得標準測試結(jié)果。標準測試結(jié)果用以指明被測試樣品的超標頻率，這些頻率的干擾將由應(yīng)用黃金標樣法通過計算機輔助EMC診斷來消除或降低。
* 復(fù)制標準實驗室布局到用戶現(xiàn)場。將被測試樣品在專業(yè)EMC實驗室的布局盡可能原封不動的復(fù)制到用戶現(xiàn)場。假如無法復(fù)制，也要在離開實驗室前將被測試樣品的布線和擺放位置作好記號，捆扎好各種電纜，以便在用戶現(xiàn)場準確還原。
* 在用戶現(xiàn)場確定一個實驗場所。該實驗場所作為用戶應(yīng)用黃金標樣法測試樣品的專用場所，其電磁環(huán)境要盡量保持不變。
* 構(gòu)造一個黃金標樣。黃金標樣由被測試樣品的一個代表樣本構(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 測試實驗室工作臺同樣大小的木板，將被測對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樣。在有些公司，將黃金標 樣的代表樣本及其電纜油漆成亮粉紅色，并用強力膠固定在底板上，然后將黃金標樣鎖在一個偏僻場所，只留一把鎖，或許是防止他人將黃金標樣的某個部件賣給顧 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。
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設(shè)置測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，被測試樣品與外部電源的連接要通過LISN隔離。第一次測試時采用的測試設(shè)備，包括LISN和測試儀器的測試電纜和探頭等及其設(shè)置和操作方法可任意調(diào)整，但第一次測試后就不可更改。
* 對被測試樣品做第一次測試。在被測試樣品上均勻選取若干點作為測試點。測試點要編號。如果用示波器測量，則每個測量點的測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，文件名和測試點編號要一一對應(yīng)并記錄在案(最好能記入電子表格)。黃金標樣、 LISN和測試儀器的擺放位置要拍照留底，以便下次測量時能準確恢復(fù)第一次測試的現(xiàn)場。各種記錄要足夠詳盡，以便能使他人在許多年后也能對黃金標樣進行重 復(fù)測試。
* 保存和利用原始黃金標樣和測量結(jié)果模板。黃金標樣的第一次測量時所用的樣機被作為原始黃金標樣精心保管，其測量結(jié)果將被作為測量結(jié)果模板以作為今后測量的 參照點。在應(yīng)用黃金標樣法的過程中，如果測試不經(jīng)常進行，則每次測量時第一件要做的事就是先測試原始黃金標樣。如果測量結(jié)果與模板相符，說明測量方法和系 統(tǒng)設(shè)置正確，無論下一步測試中的黃金標樣中的樣機是否更換了PCB，或者增加了微處理器或IC，或者根據(jù)上次測量結(jié)果作了其他改進，測量都可以立即進行。 如果測試是天天進行，則對原始黃金標樣的測量可以每星期做一次以查看是否存在測量方法的“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，或者一條電纜斷了又重新修復(fù)，重新測量原始黃金標樣以確保可重復(fù)性。
* 在黃金標樣基礎(chǔ)上改進被測試樣品設(shè)計。在原始黃金標樣的底座上安裝另一個被測試樣品樣本作為改進對象。根據(jù)對上一次測試并應(yīng)用計算機EMC輔助診斷系統(tǒng)進 行分析的結(jié)果，對改進對象進行修改，然后對改進對象測試點測試并且再次應(yīng)用計算機EMC輔助診斷系統(tǒng)分析測試結(jié)果。將每次分析結(jié)果與上一次結(jié)果對比，以確 保改進向正確方向發(fā)展，直至標準測試結(jié)果指出的超標干擾頻率強度被降到預(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：
* 能反映被測試樣機的電磁干擾分布，以便用戶尋找干擾源；
* 測試方法簡單易行，成本低；
* 測試可在用戶現(xiàn)場隨時進行。
數(shù)據(jù)分析方法主要應(yīng)考慮以下因素：
* 能夠通過對采集的數(shù)據(jù)分析，找出干擾源的物理位置；
* 操作簡單，并能與常見電子產(chǎn)品計算機輔助設(shè)計軟件接口；
* 通過與上次分析結(jié)果比較，評價對被測樣機的修改效果，以指導(dǎo)用戶按正確方向修改被測樣機。
目前，有一種EMC-Scanner系統(tǒng) (電磁輻射和熱輻射掃描系統(tǒng))，用機械掃描的方法對被測對象掃描并用PC機顯示電磁輻射和熱輻射二維或三維圖像。但被測試產(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)中的計算機輔助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，依照黃金標樣法在用戶現(xiàn)場記錄被 測試產(chǎn)品的電壓波形并且以最新開發(fā)的EMCExplorer軟件將被測試信號變換成時間-頻率域信號，指出干擾在被測試樣機中的具體位置和時間域中的位 置，并可對樣機修改結(jié)果進行定量比較，使樣機修改朝正確方向進行。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，實現(xiàn)電子產(chǎn)品設(shè)計階段的EMC計算機輔助診斷。
應(yīng)用實例
一個典型的DC/DC變換器的EMC測試結(jié)果表明：EMI在頻率4MHz,10MHz和13MHz超標。在變換器的印刷電路 上均勻選取一些測試點并進行編號(本例中我們選取19點，從00到18編號)，如圖4所示。用數(shù)字示波器測試所選的測試點(本例中我們僅測量PCB板，但 實際應(yīng)用中可從被測產(chǎn)品的任何部位采樣)，每個點的測試波形保存成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件(SC1.001-SC1.019),供EMCExplorer分析。 EMCExplorer對各測試點的13MHz干擾頻率進行分析，得出圖5結(jié)果，其中數(shù)據(jù)文件SC1.019(點18)和SC1.004(點03)的干擾 幅度最大。對各測試點的10MHz干擾頻率分析得到相同結(jié)論。對各測試點的4MHz干擾頻率分析表明點18干擾最大，點9其次。分析上述測試結(jié)果，我們發(fā) 現(xiàn)點3是接地點，干擾值卻異常高。考慮到點3附近有T1震蕩器，干擾很可能由此而起。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，T1接地焊接不良。重新焊接后再次測試，點3接地點 的13MHz干擾果然有所下降。考慮到點18是干擾的集中點，我們在點18和點0之間焊接一只300uf電容，13MHz和10MHz頻率的EMI被進一 步降低到了標準曲線以下。
我們轉(zhuǎn)而對點9數(shù)據(jù)做時間-頻率分析(圖6)，圖6中的上圖為原始波形，中圖為該波形的時間-頻率分析，下圖為該波形的傅 立葉變換。中圖表明最嚴重的4 MHz干擾發(fā)生在時間0.012ms，0.022ms和0.042ms,雖然這些時刻的波形幅度在上圖中看起來并非最大。根據(jù)這些時刻波形的相位關(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刻的4MHz干擾。
小結(jié)
計算機輔助EMC診斷可以簡化電子產(chǎn)品EMC達標流程中的EMC測試并可在用戶現(xiàn)場隨時進行，從而減少電子產(chǎn)品EMC達標的 費用和縮短達標周期。計算機輔助EMC診斷由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩部分組成，通過黃金標樣法來正確實施。其中數(shù)據(jù)分析軟件可以與印刷電路板EDA軟件接 口，實現(xiàn)電子產(chǎn)品設(shè)計階段的EMC計算機輔助診斷。