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  • 計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試
    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試
  • 計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試
  •   發(fā)布日期: 2019-01-21  瀏覽次數(shù): 919

    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。

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

     

    電子產(chǎn)品在歐洲和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家銷(xiāo)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(guó)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(zhuān)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(guò)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(zhuān)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(wú)法控制,開(kāi)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(kāi)發(fā),而且貫穿于產(chǎn)品的生命周期。產(chǎn)品銷(xiāo)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)

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

    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(zhuān)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(guó)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(guó)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(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷來(lái)消除或降低。

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

    * 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(zhuān)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(wú)法復(fù)制,也要在離開(kāi)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(zhuān)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(mài)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(lái)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(guò)來(lái)的干擾,被測(cè)試樣品與外部電源的連接要通過(guò)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。

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

    * 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(guò)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(shuō)明測(cè)量方法和系統(tǒng)設(shè)置正確,無(wú)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??芍貜?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

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

    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(guò)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(jiàn)電子產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口;

    * 通過(guò)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(kāi)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

    計(jì)算機(jī)輔助EMC診斷簡(jiǎn)化電子產(chǎn)品EMC測(cè)試

    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。考慮到點(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(lái)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(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)或關(guān)產(chǎn)生。用開(kāi)或關(guān)速度較慢的開(kāi)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(guò)黃金標(biāo)樣法來(lái)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。


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