基于电磁兼容风险评估方法的电磁兼容问题分析及对策

摘 要：基于EMC的“电磁兼容风险评估模型”进行电磁兼容性分析能够为优化设备性能提供准确的模型依据，具有重要的应用价值。对此，本文以工程案例为试验载体，通过“划分风险单元-确定风险要素程度-列出风险矩阵”等步骤，准确发现了案例中的不足。基于“电磁兼容风险评估模型”进行整改优化后的结果表明，输入差模电感和电容容量是影响电磁兼容性的关键硬件设备，同时接地线也会对电磁兼容性产生影响，接地线“越粗越短”，电磁兼容性越好。结果表明，基于电磁兼容风险评估方法的电磁兼容分析能够为产品故障处理提供解决方案，使产品得到快速改进与优化。

关键词：电磁兼容；EMC；风险评估；整改策略

中图分类号：TN 03 " " " 文献标志码：A

电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）即在电磁环境中，设备和系统不受外界环境影响正常工作的能力[1]，要求在实际生产工况中，设备和系统能够在电磁环境中稳定工作，并具备一定的电磁抗干扰强度，不会因外部环境干扰而产生误动作，并且设备及系统自身产生的电磁干扰也不会对周边其他产品产生影响。在此背景下，电磁兼容风险评估能够对电磁环境的影响特性进行定量和定性描述，因此本文结合案例进行了分析与探讨。

1 电磁兼容风险评估模型的执行标准

电磁兼容风险评估是为电磁硬件提供基于物理模型分析的数值评估方法，具有实用性强、标准化程度高的特点[2]，目前《电磁兼容可靠性评估导则》GB/Z37150—2019及《电磁兼容风险评估第1部分：电子电气设备》GB/T38659.1—2020等多个标准中都对其有所介绍。该方法广泛应用于正向EMC产品设计及维修后的产品性能评估。方法核心是探究共模电流对产品EMC性能特性的影响，进而在实际值与理想模型性能值的不断比较中，能够及时发现产品在电磁兼容设计中存在的不足和薄弱环节，进而提升产品的改进效果。

2 某型产品功能和电磁兼容要求

某型电源组件功能框图如图1所示，其产品输入DC 22V～30V，后级为7路不同功率输出。产品装入整机后需要满足要求，并通过DO-160G规定的磁效应试验、音频传导敏感性试验、感应信号敏感性试验、射频敏感性（辐射和传导）试验、射频能量发射试验、静放电试验等电磁兼容性试验，基于风险评估识别出干扰源主要为开关电源，集中在开关电路与输出整流电路的高dV/dI和dI/dt中。可通过划分风险单元中的整体改进方法，采用吸收电路、滤波、布线、屏蔽、接地，密封等技术减少干扰[3]。在硬件方面，主要通过反接保护、浪涌抑制、滤波输入、开关控制、隔离转换、滤波输出处理以及壳体设计搭接线，同时对其他输入、输出信号进行滤波，来满足整机的电磁兼容性。

3 电磁兼容案例的问题现象及排查过程

3.1 问题现象

某型电源组件在客户端进行摸底测试时，根据DO-160G规定依次完成了磁效应试验、音频传导敏感性试验、感应信号敏感性试验、射频敏感性（辐射和传导）试验、静放电试验等电磁兼容性试验。但进行射频能量发射（传导试验）测试时，根据波形数值分析可知，射频能量发射（传导试验）存在超标情况。同时由于设备自身在运行中已经选用了电源滤波器，但是受制于设备硬件内部空间的限制，滤波器的输入线路过长，并且现有的局部空间已无法再次进行结构参数优化，因此只能采取物理防御的方法进行电磁抗干扰操作[4]。后采用“屏蔽机箱”、接地等相关措施对该案例设备进行了电磁防御，但由于设备硬件没有安装在理想位置，导致电源滤波器的参数引线过长，因此电源传导发射的运行结果不理想。同时由于信号线没有进行滤波处理，也导致电场辐射发射的运行结果不理想，出现较严重的兼容问题。

3.2 排查过程

根据EMC的风险等级，参照影响程度的划分，可以分为I、II、III、IV共4个级别，每个级别的内容见表1。

根据表1中的内容，通过风险评估模型中的各类风险要素来辅助分析并定位问题来源，制定解决方案和措施，具体的操作流程如下。

第一，根据表1进行风险单元逐步分级排查，将电源组件单独使用LISN并进行传导摸底测试，结果如图2所示。通过图2中的波形变换可以看出超出的频点基本一致。

第二，将输入端的共模电感由原1.4mH增至2mH，中间段的电感由原先的100μH增至2mH后，进行风险矩阵的判断分析。随着输入端电容的去除，端口数值由1k增至4.7k，并单独用LISN重新测试，此时2M以下的尖峰明显下降，其中典型端口处为37.5dB，有6.5dB余量。

第三，将每路输出分别单独关闭进行测试，其中在关闭OUTPUT1和OUTPUT5时，输入端300kHz的尖峰明显下降，可见300kHz处的干扰主要由这2个模块造成。将OUTPUT1和OUTPUT5电源模块前的差模电感由0.4μH增至10μH、5.5μH后，单独用LISN重新测试，其中典型的300kHz处为35dB，有9dB余量，比之前有轻微改善。

第四，由于厂内只能经LISN测试，DO-160G标准中的射频能量发射（传导试验）要求用电源线测量探头测试。经过整改并进行摸底测试后还有较大余量，说明上述的排查和整改措施有效。

3.3 电磁兼容案例的原因分析

从图2的波形结果来看，其超出的包络均是300kHz的倍频。经分析，电源组件中的模块开关频率300kHz、300kHz倍频以及N次谐波是主要干扰源，直接耦合到输入线端，并通过输出端对地的Y电容将干扰信号发射到外壳上。外壳又以传导的方式将干扰信号发送到组件及输入端，造成测试波形超标。

而电源组件中含有滤波器，对高频的干扰信号来说，电容属于低阻抗，因此电容的存在能够起到旁路及去耦高频的干扰作用[5]。此时电感和电容形成的组合式滤波器也能起到铝箔作用，从而可减少模拟信号的流通路径，最终减少高频发射。超标的包络主要集中在300kHz～20MHz，以共模的干扰信号为主，因此判断原因是共模电感和Y电容组合偏小，造成干扰信号吸收和滤除不够干净。

4 基于电磁兼容风险评估的EMC整改方案

4.1 电磁兼容检测

4.1.1 辐射发射测量

辐射发射的参数测试主要在半点波中的暗室进行，可综合减少外部电气部件对测试结果的影响。其中测试的天线应距受试设备3m或10m，并在其垂直1m以上位置进行扫描，以保证测试结果的准确度。

4.1.2 传导骚扰测量

传导骚扰测量主要测量的是电动侧的扰动参数。测量之前要结合不同的工作状态进行测量供电参数预处理，完成准峰值和标准准峰值的参数比较。在参数测量和比较过程中，当频率gt;0.5MHz时，其标准限值应稳定在60dBμV不变，而测试的峰值应﹤40dBμV。

4.1.3 电源端骚扰电压

供电侧中要积极进行扰动电压的参数测量，其参数测试应结合不同的工段参数进行差异化分析，进而完成极限峰值和标准峰值的参数对准，最终通过不同组数据的综合测量来求解平均值。

4.2 风险单元

整改过程中要重点强化对单元内容的风险参数划分，根据评估的实际情况罗列出风险矩阵图，并最终绘制出故障排查路线图，对路线图内各风险点进行逐一整改。其中GB/T38659.1—2020中具体给出了基于EMC风险要素的描述要点，并确定了相关风险的整改程度等级。风险描述要点中的整改要求见表2。

4.3 基于电磁兼容风险评估的整改流程

基于表2对风险整改程度等级进行综合评定，其要素信息能够准确定位到来源。首先，根据产品硬件本身的实际情况，将模型分割成N个能够进行风险评测的单元。单元划分的主要目的是为了让相似的风险要素能够分配到同一风险评估单元中。对设备整机来说，可以将电缆和电路板作为切入点来划分风险评估模型，将电缆和电缆相连接的电路板、整机接壳共同组成一个独立模组。其次，参照产品的风险评价单元的实际特点确定好风险要素的等级，并参照等级结果的影响程度确定单元序列的分布矩阵图。在排查过程中，应参照影响程度的等级原则，从矩阵的左下角按照“自左到右–自上到下”的顺序进行分析，逐一找到相关问题的来源，并根据排查路线图的结果进行参数优化。其具体操作步骤如图3所示。

4.4 整改措施与结果

增加输入端的共模电感、Y电容及OUTPUT1/OUTPUT5模块端的输入差模电感，吸收和抑制对300kHz的倍频干扰；增加模块初次级的Y电容，取消输出端对地的Y电容，从而增加次级干扰信号回流到初级的回路，避免通过输出端耦合到外壳，从而干扰输入线端；在整改优化中，3mm2地线的测试效果要优于0.5mm2的测试效果，表明接地线越粗越短越好，能够将干扰信号滤除到大地中。因此建议将此接地线加粗至3mm2以上，线体长度尽可能短，以保证接地路径短、阻抗小。完成每项整改方案后，陆续进行相关测试，直至所有的整改试验全部完成。

5 预防电磁兼容风险的改进措施

5.1 电磁兼容的现场环境优化

为了保证设备运行的稳定性，在日常运维检查中应强化对设备间干扰源的监测，综合调研出现干扰问题的根地磁及电磁耦合路径，进而预防潜在风险，综合优化电磁生产环境。

5.2 电磁兼容的评估方法

在日常运行维护中，要深度检查产品内部的功能结构情况，深度了解产品本身的基本模块和零件，综合查询各部件的标准，深度注重产品环境、电气设备以及转换器等可能对设备产生的干扰。在日常维护中也要认识到高灵敏的天线及电力线也有可能成为电磁干扰的主要来源。

5.3 金属外壳对电磁兼容性的影响

在日常维护中，部分运维人员片面地认为塑料外壳能够显著降低电磁兼容的影响，但是从大量的实践案例能够看出，金属外壳能够更好地降低电磁兼容的影响。在所有金属类的外壳中，铸铝材质外壳对电磁兼容的影响是最小的，能够更好地屏蔽外部环境中的电磁波。但是在日常硬件选取中，铸铝材质的硬件成本较高，因此将金属外壳连接到过滤电容C也能够取得同等的效果。

5.4 PCB的电磁干扰监测

在日常维护及检修过程中，要强化对PCB板产生电磁干扰的监测，提前规避可能产生的问题及风险，综合提升电磁设备的运行稳定性，提升电磁兼容的效果。

6 结语

电磁兼容风险的处理是“人为经验+测试数据”的深度融合，基于EMC的风险评估方法能够高质量地指导电子硬件的电磁兼容设计与维修，在对产品进行最小改动的基础上，使产品的运行质量达标，最大限度地满足电磁兼容的核心要求，保证硬件设备的运行稳定性。

参考文献

[1]王少启，罗锋.“EMC风险评估法”在电子衡器抗干扰性能试验中的应用[J].衡器，2021，50（4）：3-5.

[2]雷傲宇，刘蔚，周剑，等.极端情况下电网遭受外部攻击的风险评估模型探索[J].广东电力，2022，35（8）：50-59.

[3]王炳文，郑久寿，陈潇然.基于电磁兼容风险评估方法的EMC整改研究[J].安全与电磁兼容，2022（5）：60-65.

[4]王匀.某米波雷达电磁干扰问题的研究[J].中国新技术新产品，2023（13）：71-73.

[5]于超.浅析EMC风险评估技术[J].现代建筑电气，2023，14（5）：57-61.