浅析EMC风险评估技术

于 超

(上海添唯认证技术有限公司, 上海 200063)

0 引 言

随着国家标准GB/Z 37150—2019《电磁兼容可靠性风险评估导则》、GB/T 38659.1《电磁兼容 风险评估 第1部分:电子电气设备》、GB/T 38659.2《电磁兼容 风险评估 第2部分:电子电气系统》、GB/T 38659.3《电磁兼容 风险评估 第3部分:电子电气系统》、GB/T 38659.4《电磁兼容 风险评估 第4部分:设备分析方法》正式发布,EMC领域的风险评估标准内容逐渐形成。

EMC风险评估技术建立在产品EMC设计分析方法的基础上,利用通用的风险评估手段,按风险评估的程序,划分风险等级、建立产品设计理想模型(其中理想模型可以分为系统设计EMC理想模型、产品架构EMC设计理想模型和产品PCB设计理想模型)、确定风险要素,再根据产品实际设计的信息与理想模型中所有的风险要素进行比较,以识别产品EMC设计风险,最终获得产品的EMC风险等级。EMC风险等级用来表明产品应对EMC测试的通过概率或产品在实际应用中出现故障的概率。该评估手段及得到的结果可以直接用来对产品进行EMC合格评定。

2023年2月23日,全国无干委第一届电磁兼容风险评估分委会成立大会暨第一届一次会议于浙江杭州顺利召开,会上发布了《电磁兼容风险评估国家标准体系》。

1 EMC风险评估技术原型

文献[1-2]基于EMC测试原理,解读一种产品EMC设计的分析方法(包括产品机械架构设计、滤波设计、PCB设计)。该方法可以用来指导产品的EMC设计,掌握该技术的工程师可以发现实际产品EMC设计的缺陷。

文献[1-2]描述了产品EMC设计分析方法,根据产品的实际设计情况,对应产品EMC设计的相关因素逐个进行分析。然而,在工程应用中,还有存在如下问题。

(1) 产品的最终EMC性能,不是产品中某个或某几个EMC设计点决定的,它是所有EMC相关因素综合设计的结果。当产品实际的设计结果在某一个或几个EMC相关因素没有满足时,设计者往往需要决定是否需要花成本去改进,但是设计者往往无法知道这一个或几个EMC相关因素没有满足是否会导致EMC测试失败,最后导致设计者总是在成本、付出与EMC测试成败的结果之间犹豫。

(2) 不进行EMC测试的情况下,是否能评定产品的EMC性能?EMC设计风险评估法就能解决以上问题,它会给出一种EMC测试失败的风险概率,通过这种概率可以帮助设计者做出是否需要增加成本去继续改进设计的决定,降低EMC测试失败的风险概率。EMC设计风险评估技术建立在EMC设计分析方法的基础上,利用通用的风险评估手段,按风险评估的程序,划分风险等级、建立产品设计理想模型(其中理性模型可以分为产品架构EMC设计理想模型和产品PCB设计理想模型)、确定风险要素,再根据产品实际设计的信息与理想模型中所有的风险要素进行比较,以识别产品EMC设计风险,最终通过较为成熟的风险评价的技术和算法,获得产品的EMC风险等级。

EMC风险等级用来表明产品应对EMC测试失败的概率、EMC测试通过率或产品在实际应用中出现故障的概率。EMC设计风险评估技术应用的意义在于产品设计者、管理者和鉴定者可以在不进行EMC测试的情况下,预知产品EMC测试失败的概率,对其进行合格评定。不进行昂贵的EMC测试就可以评定产品的EMC性能。

正确应用EMC风险评估技术可以无须EMC测试而对产品进行EMC性能评价或合格评定,也可以与EMC测试结果结合对产品进行综合的EMC评价或合格评定,还可以作为产品进行正式EMC测试之前的预评估,以降低企业研发测试成本。

产品的设计者或使用者使用EMC风险评估技术,可以看到被评估产品在EMC方面存在的优点、缺陷与风险,可以预测产品EMC测试的通过率,也可以评价产品在其生命周期中的EMC表现。

2 EMC风险评估基础标准

2.1 GB/Z 37150国家标准

GB/Z 37150—2019《电磁兼容可靠性风险评估导则》基于GB/T 27921—2011《风险管理 风险评估技术》标准,讲述什么是EMC风险评估和程序的标准。标准从EMC风险评估目的和作用、EMC风险评估对象、风险准则出发,简述了 EMC风险评估过程,包括风险识别、风险分析、风险评价、风险评估工具等内容。

2.2 GB/T 38659.1—2012国家标准

GB/T 38659.1—2012《电磁兼容 风险评估 第1部分:电子电气设备》标准认为电子电气产品的EMC性能与架构设计和电路板设计的20个要素(标准中描述为风险要素)有关,其中与机械架构相关的风险要素有10个,与印刷电路板相关的风险要素也有10个。

这20个要素可分为如下几级:

① Ⅰ级:特定条件下不能满足时,一定会导致某项测试失败,风险系数为K1=0.4;② Ⅱ级:不能满足时,必须有其他特定的弥补措施才能避免测试失败,风险系数为K2=0.3;③ Ⅲ级:不能满足时,不一定会导致测试失败,但影响相对较大,风险系数为K3=0.2。④ Ⅳ级:不能满足时,不一定会导致测试失败,但影响较小,风险系数为K4=0.1。

当这20个要素的设计完美时,就产生了理想的EMC设计模型。而产品实际设计的情况在这20个要素上与理想的设计模型之间存在差距时,就产生了EMC风险,综合这些风险就产生了电子电气产品整机的EMC风险值。这个值可以代表电子电气产品的EMC测试通过率。

2.3 GB/T 38659.2国家标准

GB/T 38659.2—2021《电磁兼容 风险评估 第2部分:电子电气系统》标准提到的系统是相对单个设备而言的[3]。电子电气设备是单一封装的设备,其设备构成、线缆数量、耦合关系相对简单,而电子电气系统则包括了多个电子电气产品,如汽车、舰船、飞机等,都属于电子电气系统。电子电气系统分为全集成电子电气系统和半集成电子电气系统。

电子电气系统EMC风险评估是建立在被评估系统中的所有产品或部件完成EMC设计风险评估的前提下的,依据标准GB/Z 37150—2018电磁兼容可靠性风险评估导则规定的程序对系统的机械架构、互联线缆处理、线缆间串扰等EMC设计内容进行评估,以获得整个系统的EMC设计风险等级和风险值。

全集成电子电气系统EMC设计风险评估是在被评估系统中的所有产品已完成EMC设计风险评估的前提下进行的,通常不涉及电路板的EMC设计风险评估。对全集成电子电气系统进行风险评估时,其中的电子电气产品风险评估已经完成,风险等级和风险值已经获得,可以参考标准GB/T 38659.1—2020《电磁兼容 风险评估 第1部分:电子电气设备》[4]。电子电气产品的风险评估结果或风险值是电子电气系统风险评估的要素之一。

半集成电子电气系统需要对系统中非完整产品的部件按GB/T 38659.1—2020《电磁兼容 风险评估第1部分:电子电气设备》的方法进行风险评估,得出部件的风险评估等级和风险值,然后结合系统相关风险要素及其他产品的EMC设计风险评估结果,综合获得整个系统的EMC设计风险等级和风险值。

该标准认为电子电气系统的EMC性能与9个要素(标准中描述为风险要素)有关,这9个要素的设计完美时,就产生了理想的EMC设计模型。当产品实际设计的情况在这9个要素上与理想的设计模型之间存在差距时,就产生了EMC风险,综合这些风险就产生了电子电气系统的EMC风险值。这个值可以代表电子电气系统的EMC测试通过率。

3 EMC风险评估揭示EMC测试

根据EMC风险评估国家标准中的描述,设备的EMC风险要素可分为19项(系统为9项),这19项也是设备EMC设计的关键要素,产品的EMC性能主要是设计者在设备设计时所赋予的。如果把每个EMC风险要素或EMC设计要素当成一道考题,并且每项的设计结果可用具体的量化分值来表示,那么考试的综合结果就是设备的EMC性能,这需要设备设计者来解答。如果给予19个EMC设计项目总分为100的话,那么其中:① 3道为10分题,共计30分;② 7道为6分题,共计42分;③ 5道为4分题,共计20分;④ 4道为2分题,共计8分。

设备EMC设计与风险分析项目如表1所示。

表1 设备EMC设计与风险分析项目

产品的EMC设计是决定产品最终是否能通过EMC测试的前提。当前由EMC测试评判每个项目的综合解答结果,测试通过表示答题情况综合较好,不能通过测试则表示答题情况综合较差。

EMC风险评估技术是一种除了EMC测试之外,也可以对产品EMC设计做评价的方法。在EMC风险评估技术中,表1中的项目为风险要素,按风险评估的标准程序对其进行分析、赋值的过程叫风险分析。于是形成了19个风险分析项目,对每个项目分析后会形成每项的扣分值,这些被扣的分累加后,可得出产品整机的风险评估结论,即产品整机风险评估值,此时,该产品在EMC设计方面19道考题的总得分即为100减去产品整机风险值。

因此,EMC风险评估技术是设计者除EMC测试之外,可以给产品EMC设计的19道考题解答情况做综合评判的新方法,它可以以分值的方式来表达EMC设计效果。

4 EMC设计及格线

根据GB/T 38659.1—2020中的描述,产品整机的EMC风险值代表产品实际的EMC水平与理想模型之间的差距,它是一个客观值。产品EMC测试的要求是由产品所在应用场所类型决定的,当判断产品是否通过EMC测试时,往往需要先确定产品所应用的场所类型,不同的应用场所类型具有不同的EMC测试要求。因此,如果需要用产品整机的EMC风险值来评估产品EMC测试是否通过的概率,那么应该先确定产品所应用的场所类型。

产品应用场所(即场所决定产品EMC测试等级或EMC要求)根据GB/Z 18039.1—2019可分为四类:① 具有特殊保护的环境,如道路车辆内部;② 居住场所;③ 商业/公共场所;④ 工业场所。

产品整机EMC风险等级是由产品的整机EMC风险评估值(包括EMS风险评估值和EMI风险评估值)和产品应用场所类型共同决定的。

产品整机EMC风险等级是产品整机EMC测试失败事件发生的概率,从高到低可分为 T、U、V、W 4级:① T:高度风险(测试不能通过,而且项目较多);② U:显著风险(测试不能通过,但项目较少);③ V:一般风险(测试基本通过);④ W:稍有风险(测试通过,并有余量)。

产品整机EMS风险等级表如表2所示。基于风险评估结论,再根据产品所选择的应用场所类型,按表2所示最终确定产品整机EMS风险等级。

表2 产品整机EMS风险等级表

产品整机EMI风险等级表如表3所示。基于风险评估结果,再根据产品所选择的应用场所类型,按表3所示最终确定产品整机EMI风险等级。考虑到具有特殊保护的环境中可能还存在细分,在EMI风险等级确认时,可增加第X类应用场所(如第X类应用场所可对应按GB/T 18655—2018中规定的4、5级EMI测试要求,第一类应用场所可对应按GB/T 18655—2018中规定的1、2、3级EMI测试要求)。

表3 产品整机EMI风险等级表

5 结 语

根据产品整机EMC风险等级表可知,产品要通过EMC测试,在不同环境下,风险评估值由30～70不等。最高要求的风险评估值只有小于30～40分,即EMC设计扣分最多不超过40分。

产品标准中规定的EMC测试要求最高EMC设计措施达到60分,即及格分。