計算機輔助EMC診斷簡化電子產品EMC測試

在電子產品的EMC(電磁兼容)達標流程中，減少循環次數或簡化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，簡要介紹了一例計算機輔助EMC診斷的應用案例。

電子產品在歐洲和美國等發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品的電磁傳導性和輻射性發射測試以及抗干擾特性測試。這些測試日趨復雜并且只能在專業的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，則只能憑設計工程師的經驗對被測試樣品進行整改，然后再送專業EMC 實驗室測試以驗證修改效果。如此周而復始，使得產品的EMC測試和改進費用無法控制，開發周期難以預測(圖1)。電子產品的EMC達標不僅發生于新產品開發，而且貫穿于產品的生命周期。產品銷售期內對產品的任何變更都將導致對產品EMC的重新認證。因此尋求一種低成本的EMC達標方式成了當務之急。

計算機輔助EMC設計

從圖1可知，減少產品EMC達標流程中的循環次數是解決上述矛盾的有效方法之一。計算機輔助EMC設計可以預先改善電子產品的EMC狀況，減少電子產品在EMC專業實驗室測試的次數(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的日益重視。目前比較典型的計算機輔助EMC設計軟件有美國ＡＮＳＯＦＴ公司的ＨＦＳＳ電磁場仿真軟件，以場的觀點應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雜，應用面窄，適應于定性分析；電路分析軟件局限于印刷電路板的局部線段(結點)的EMC評估，難以全面反映信號疊加后的狀況。EMC輔助設計軟件價格昂貴也限制了它們的廣泛應用。

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專業實驗室測試，而是在用戶現場隨時應用計算機輔助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。

1. 黃金標樣法

黃金標樣法是一種有效的協助EMC低成本測試獲得合理和可重復結果的手段。其實施步驟如下：

* 獲取至少一個標準測試結果作為基準點。首先在專業EMC實驗室用標準方法對被測試樣品進行測試，獲得標準測試結果。標準測試結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用黃金標樣法通過計算機輔助EMC診斷來消除或降低。

* 復制標準實驗室布局到用戶現場。將被測試樣品在專業EMC實驗室的布局盡可能原封不動的復制到用戶現場。假如無法復制，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，以便在用戶現場準確還原。

* 在用戶現場確定一個實驗場所。該實驗場所作為用戶應用黃金標樣法測試樣品的專用場所，其電磁環境要盡量保持不變。

* 構造一個黃金標樣。黃金標樣由被測試樣品的一個代表樣本構成，樣本的設置(包括軟件版本)、電纜和周邊設備是固定不變的。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格的電纜，即便是來自同樣的供貨商。

* 設置測試所需的儀器和輔助設備。為消除從電源端傳導過來的干擾，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備，包括LISN和測試儀器的測試電纜和探頭等及其設置和操作方法可任意調整，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據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第一次測試的現場。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測試。

* 保存和利用原始黃金標樣和測量結果模板。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，其測量結果將被作為測量結果模板以作為今后測量的參照點。在應用黃金標樣法的過程中，如果測試不經常進行，則每次測量時第一件要做的事就是先測試原始黃金標樣。如果測量結果與模板相符，說明測量方法和系統設置正確，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，或者根據上次測量結果作了其他改進，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，重新測量原始黃金標樣以確?？芍貜托?。

* 在黃金標樣基礎上改進被測試樣品設計。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。根據對上一次測試并應用計算機EMC輔助診斷系統進行分析的結果，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用計算機EMC輔助診斷系統分析測試結果。將每次分析結果與上一次結果對比，以確保改進向正確方向發展，直至標準測試結果指出的超標干擾頻率強度被降到預期水平以下。

2. 數據采集及其分析

數據采集主要應考慮以下因素：

* 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；

* 測試可在用戶現場隨時進行。

數據分析方法主要應考慮以下因素：

* 能夠通過對采集的數據分析，找出干擾源的物理位置；

* 操作簡單，并能與常見電子產品計算機輔助設計軟件接口；

* 通過與上次分析結果比較，評價對被測樣機的修改效果，以指導用戶按正確方向修改被測樣機。

目前，有一種EMC-Scanner系統 (電磁輻射和熱輻射掃描系統)，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。但被測試產品受掃描儀框架尺寸限制，且主要適用于產品的PCB板。

另外一種正在研發中的計算機輔助EMC診斷系統，以電子產品生產廠家普遍擁有的數字示波器，依照黃金標樣法在用戶現場記錄被測試產品的電壓波形并且以最新開發的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軟件的仿真結果，實現電子產品設計階段的EMC計算機輔助診斷。

應用實例

一個典型的DC/DC變換器的EMC測試結果表明：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，但實際應用中可從被測產品的任何部位采樣)，每個點的測試波形保存成相應的數據文件(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結果，其中數據文件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。分析上述測試結果，我們發現點3是接地點，干擾值卻異常高?？紤]到點3附近有T1震蕩器，干擾很可能由此而起。進一步觀察發現，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?？紤]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。

我們轉而對點9數據做時間-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。根據這些時刻波形的相位關系，我們查明這些波形分別由不同的開關二極管的開或關產生。用開或關速度較慢的開關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

計算機輔助EMC診斷可以簡化電子產品EMC達標流程中的EMC測試并可在用戶現場隨時進行，從而減少電子產品EMC達標的費用和縮短達標周期。計算機輔助EMC診斷由數據采集和數據分析兩部分組成，通過黃金標樣法來正確實施。其中數據分析軟件可以與印刷電路板EDA軟件接口，實現電子產品設計階段的EMC計算機輔助診斷。