基于電磁兼容風險評估方法的電磁兼容問題分析及對策

摘 要：基于EMC的“電磁兼容風險評估模型”進行電磁兼容性分析能夠為優化設備性能提供準確的模型依據，具有重要的應用價值。對此，本文以工程案例為試驗載體，通過“劃分風險單元-確定風險要素程度-列出風險矩陣”等步驟，準確發現了案例中的不足。基于“電磁兼容風險評估模型”進行整改優化后的結果表明，輸入差模電感和電容容量是影響電磁兼容性的關鍵硬件設備，同時接地線也會對電磁兼容性產生影響，接地線“越粗越短”，電磁兼容性越好。結果表明，基于電磁兼容風險評估方法的電磁兼容分析能夠為產品故障處理提供解決方案，使產品得到快速改進與優化。

關鍵詞：電磁兼容；EMC；風險評估；整改策略

中圖分類號：TN 03 " " " 文獻標志碼：A

電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）即在電磁環境中，設備和系統不受外界環境影響正常工作的能力[1]，要求在實際生產工況中，設備和系統能夠在電磁環境中穩定工作，并具備一定的電磁抗干擾強度，不會因外部環境干擾而產生誤動作，并且設備及系統自身產生的電磁干擾也不會對周邊其他產品產生影響。在此背景下，電磁兼容風險評估能夠對電磁環境的影響特性進行定量和定性描述，因此本文結合案例進行了分析與探討。

1 電磁兼容風險評估模型的執行標準

電磁兼容風險評估是為電磁硬件提供基于物理模型分析的數值評估方法，具有實用性強、標準化程度高的特點[2]，目前《電磁兼容可靠性評估導則》GB/Z37150—2019及《電磁兼容風險評估第1部分：電子電氣設備》GB/T38659.1—2020等多個標準中都對其有所介紹。該方法廣泛應用于正向EMC產品設計及維修后的產品性能評估。方法核心是探究共模電流對產品EMC性能特性的影響，進而在實際值與理想模型性能值的不斷比較中，能夠及時發現產品在電磁兼容設計中存在的不足和薄弱環節，進而提升產品的改進效果。

2 某型產品功能和電磁兼容要求

某型電源組件功能框圖如圖1所示，其產品輸入DC 22V～30V，后級為7路不同功率輸出。產品裝入整機后需要滿足要求，并通過DO-160G規定的磁效應試驗、音頻傳導敏感性試驗、感應信號敏感性試驗、射頻敏感性（輻射和傳導）試驗、射頻能量發射試驗、靜放電試驗等電磁兼容性試驗，基于風險評估識別出干擾源主要為開關電源，集中在開關電路與輸出整流電路的高dV/dI和dI/dt中。可通過劃分風險單元中的整體改進方法，采用吸收電路、濾波、布線、屏蔽、接地，密封等技術減少干擾[3]。在硬件方面，主要通過反接保護、浪涌抑制、濾波輸入、開關控制、隔離轉換、濾波輸出處理以及殼體設計搭接線，同時對其他輸入、輸出信號進行濾波，來滿足整機的電磁兼容性。

3 電磁兼容案例的問題現象及排查過程

3.1 問題現象

某型電源組件在客戶端進行摸底測試時，根據DO-160G規定依次完成了磁效應試驗、音頻傳導敏感性試驗、感應信號敏感性試驗、射頻敏感性（輻射和傳導）試驗、靜放電試驗等電磁兼容性試驗。但進行射頻能量發射（傳導試驗）測試時，根據波形數值分析可知，射頻能量發射（傳導試驗）存在超標情況。同時由于設備自身在運行中已經選用了電源濾波器，但是受制于設備硬件內部空間的限制，濾波器的輸入線路過長，并且現有的局部空間已無法再次進行結構參數優化，因此只能采取物理防御的方法進行電磁抗干擾操作[4]。后采用“屏蔽機箱”、接地等相關措施對該案例設備進行了電磁防御，但由于設備硬件沒有安裝在理想位置，導致電源濾波器的參數引線過長，因此電源傳導發射的運行結果不理想。同時由于信號線沒有進行濾波處理，也導致電場輻射發射的運行結果不理想，出現較嚴重的兼容問題。

3.2 排查過程

根據EMC的風險等級，參照影響程度的劃分，可以分為I、II、III、IV共4個級別，每個級別的內容見表1。

根據表1中的內容，通過風險評估模型中的各類風險要素來輔助分析并定位問題來源，制定解決方案和措施，具體的操作流程如下。

第一，根據表1進行風險單元逐步分級排查，將電源組件單獨使用LISN并進行傳導摸底測試，結果如圖2所示。通過圖2中的波形變換可以看出超出的頻點基本一致。

第二，將輸入端的共模電感由原1.4mH增至2mH，中間段的電感由原先的100μH增至2mH后，進行風險矩陣的判斷分析。隨著輸入端電容的去除，端口數值由1k增至4.7k，并單獨用LISN重新測試，此時2M以下的尖峰明顯下降，其中典型端口處為37.5dB，有6.5dB余量。

第三，將每路輸出分別單獨關閉進行測試，其中在關閉OUTPUT1和OUTPUT5時，輸入端300kHz的尖峰明顯下降，可見300kHz處的干擾主要由這2個模塊造成。將OUTPUT1和OUTPUT5電源模塊前的差模電感由0.4μH增至10μH、5.5μH后，單獨用LISN重新測試，其中典型的300kHz處為35dB，有9dB余量，比之前有輕微改善。

第四，由于廠內只能經LISN測試，DO-160G標準中的射頻能量發射（傳導試驗）要求用電源線測量探頭測試。經過整改并進行摸底測試后還有較大余量，說明上述的排查和整改措施有效。

3.3 電磁兼容案例的原因分析

從圖2的波形結果來看，其超出的包絡均是300kHz的倍頻。經分析，電源組件中的模塊開關頻率300kHz、300kHz倍頻以及N次諧波是主要干擾源，直接耦合到輸入線端，并通過輸出端對地的Y電容將干擾信號發射到外殼上。外殼又以傳導的方式將干擾信號發送到組件及輸入端，造成測試波形超標。

而電源組件中含有濾波器，對高頻的干擾信號來說，電容屬于低阻抗，因此電容的存在能夠起到旁路及去耦高頻的干擾作用[5]。此時電感和電容形成的組合式濾波器也能起到鋁箔作用，從而可減少模擬信號的流通路徑，最終減少高頻發射。超標的包絡主要集中在300kHz～20MHz，以共模的干擾信號為主，因此判斷原因是共模電感和Y電容組合偏小，造成干擾信號吸收和濾除不夠干凈。

4 基于電磁兼容風險評估的EMC整改方案

4.1 電磁兼容檢測

4.1.1 輻射發射測量

輻射發射的參數測試主要在半點波中的暗室進行，可綜合減少外部電氣部件對測試結果的影響。其中測試的天線應距受試設備3m或10m，并在其垂直1m以上位置進行掃描，以保證測試結果的準確度。

4.1.2 傳導騷擾測量

傳導騷擾測量主要測量的是電動側的擾動參數。測量之前要結合不同的工作狀態進行測量供電參數預處理，完成準峰值和標準準峰值的參數比較。在參數測量和比較過程中，當頻率gt;0.5MHz時，其標準限值應穩定在60dBμV不變，而測試的峰值應﹤40dBμV。

4.1.3 電源端騷擾電壓

供電側中要積極進行擾動電壓的參數測量，其參數測試應結合不同的工段參數進行差異化分析，進而完成極限峰值和標準峰值的參數對準，最終通過不同組數據的綜合測量來求解平均值。

4.2 風險單元

整改過程中要重點強化對單元內容的風險參數劃分，根據評估的實際情況羅列出風險矩陣圖，并最終繪制出故障排查路線圖，對路線圖內各風險點進行逐一整改。其中GB/T38659.1—2020中具體給出了基于EMC風險要素的描述要點，并確定了相關風險的整改程度等級。風險描述要點中的整改要求見表2。

4.3 基于電磁兼容風險評估的整改流程

基于表2對風險整改程度等級進行綜合評定，其要素信息能夠準確定位到來源。首先，根據產品硬件本身的實際情況，將模型分割成N個能夠進行風險評測的單元。單元劃分的主要目的是為了讓相似的風險要素能夠分配到同一風險評估單元中。對設備整機來說，可以將電纜和電路板作為切入點來劃分風險評估模型，將電纜和電纜相連接的電路板、整機接殼共同組成一個獨立模組。其次，參照產品的風險評價單元的實際特點確定好風險要素的等級，并參照等級結果的影響程度確定單元序列的分布矩陣圖。在排查過程中，應參照影響程度的等級原則，從矩陣的左下角按照“自左到右–自上到下”的順序進行分析，逐一找到相關問題的來源，并根據排查路線圖的結果進行參數優化。其具體操作步驟如圖3所示。

4.4 整改措施與結果

增加輸入端的共模電感、Y電容及OUTPUT1/OUTPUT5模塊端的輸入差模電感，吸收和抑制對300kHz的倍頻干擾；增加模塊初次級的Y電容，取消輸出端對地的Y電容，從而增加次級干擾信號回流到初級的回路，避免通過輸出端耦合到外殼，從而干擾輸入線端；在整改優化中，3mm2地線的測試效果要優于0.5mm2的測試效果，表明接地線越粗越短越好，能夠將干擾信號濾除到大地中。因此建議將此接地線加粗至3mm2以上，線體長度盡可能短，以保證接地路徑短、阻抗小。完成每項整改方案后，陸續進行相關測試，直至所有的整改試驗全部完成。

5 預防電磁兼容風險的改進措施

5.1 電磁兼容的現場環境優化

為了保證設備運行的穩定性，在日常運維檢查中應強化對設備間干擾源的監測，綜合調研出現干擾問題的根地磁及電磁耦合路徑，進而預防潛在風險，綜合優化電磁生產環境。

5.2 電磁兼容的評估方法

在日常運行維護中，要深度檢查產品內部的功能結構情況，深度了解產品本身的基本模塊和零件，綜合查詢各部件的標準，深度注重產品環境、電氣設備以及轉換器等可能對設備產生的干擾。在日常維護中也要認識到高靈敏的天線及電力線也有可能成為電磁干擾的主要來源。

5.3 金屬外殼對電磁兼容性的影響

在日常維護中，部分運維人員片面地認為塑料外殼能夠顯著降低電磁兼容的影響，但是從大量的實踐案例能夠看出，金屬外殼能夠更好地降低電磁兼容的影響。在所有金屬類的外殼中，鑄鋁材質外殼對電磁兼容的影響是最小的，能夠更好地屏蔽外部環境中的電磁波。但是在日常硬件選取中，鑄鋁材質的硬件成本較高，因此將金屬外殼連接到過濾電容C也能夠取得同等的效果。

5.4 PCB的電磁干擾監測

在日常維護及檢修過程中，要強化對PCB板產生電磁干擾的監測，提前規避可能產生的問題及風險，綜合提升電磁設備的運行穩定性，提升電磁兼容的效果。

6 結語

電磁兼容風險的處理是“人為經驗+測試數據”的深度融合，基于EMC的風險評估方法能夠高質量地指導電子硬件的電磁兼容設計與維修，在對產品進行最小改動的基礎上，使產品的運行質量達標，最大限度地滿足電磁兼容的核心要求，保證硬件設備的運行穩定性。

參考文獻

[1]王少啟，羅鋒.“EMC風險評估法”在電子衡器抗干擾性能試驗中的應用[J].衡器，2021，50（4）：3-5.

[2]雷傲宇，劉蔚，周劍，等.極端情況下電網遭受外部攻擊的風險評估模型探索[J].廣東電力，2022，35（8）：50-59.

[3]王炳文，鄭久壽，陳瀟然.基于電磁兼容風險評估方法的EMC整改研究[J].安全與電磁兼容，2022（5）：60-65.

[4]王勻.某米波雷達電磁干擾問題的研究[J].中國新技術新產品，2023（13）：71-73.

[5]于超.淺析EMC風險評估技術[J].現代建筑電氣，2023，14（5）：57-61.