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高度重视电子产品电磁兼容性设计及管理工作

日期:2022-01-18 09:13
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摘要: 电磁兼容性是电子产品的一项重要指标,它包含系统内(自兼容性)和系统间的电磁兼容两个方面。做为电子所,每年我所承担了大量电子产品的研制和生产,承担任务的体量越来越大,产品复杂度及产品的装备性也急剧提高。特别是承担了许多项目的系统总体工作,对整个系统产品的质量负有重要的责任。笔者认为,产品的质量是由各种因素在设计阶段形成的,探讨一下电磁兼容性的基本内容和要求,对于促进产品设计和提高产品的质量是很有必要的。 1、 电磁兼容性是什么? 定义:electromagnetic compatibility(EMC) 设备(分系...
           电磁兼容性是电子产品的一项重要指标,它包含系统内(自兼容性)和系统间的电磁兼容两个方面。做为电子所,每年我所承担了大量电子产品的研制和生产,承担任务的体量越来越大,产品复杂度及产品的装备性也急剧提高。特别是承担了许多项目的系统总体工作,对整个系统产品的质量负有重要的责任。笔者认为,产品的质量是由各种因素在设计阶段形成的,探讨一下电磁兼容性的基本内容和要求,对于促进产品设计和提高产品的质量是很有必要的。
1、 电磁兼容性是什么?

定义:electromagnetic compatibility(EMC)
设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。
即:该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射干扰导致或遭受不允许的降级;它也不会使同一电磁环境中其它设备(分系统、系统),因受其电磁发射干扰而导致或遭受不允许的降级。
2、形成电磁干扰的要素

形成电磁干扰,下列三个因素必须同时存在。
(1)释放电磁能量的源(干扰源);
(2)对源的电磁能量产生不正常响应的敏感器(受扰器);
(3)能够把电磁能量从源耦合到敏感器的通路。(传播途径)。
这三者之间的关系如图1所示:

图1 产生电磁干扰的三要素
3、电磁兼容性对产品(系统)的影响

(1)对效能的影响:
Ø 性能降低或失效,发射功率不足,方向图畸变,造成产品不能完成预定的任务;
Ø 引起失效模式,降低产品的可靠性;
Ø 影响元器件或设备的工作寿命。
EMC对产品效能的影响范围见图2。

图2 EMC影响产品效能的范围
(2)对精度的影响
由于对电磁环境预计不当或EMC设计不当,系统内设备产生附加的电磁干扰和外部电磁干扰源产生的电磁发射,使系统内的关键设备关键电路对电磁发射敏感,致使系统精度降低。例如,通讯信噪比下降、灵敏度降低、制导控制失灵等。
(3)对安全性的影响
系统上使用了大量的大规模集成电路和低电平数字电子设备,当电磁干扰超过敏感阈值和安全系数时,会损坏敏感电路,引起错误显示和响应、火工品误爆,影响人员的安全。
(4)对可靠性的影响
电磁干扰可能使电子元器件长久性失效,敏感设备功能下降或产生故障模式。电磁干扰使设备的失效率增加,系统完成规定功能的概率降低,缩短平均故障间隔时间(MTBF),增加维修时间和费用。在做可靠性预计分析时应考虑电磁干扰引起的故障模式。
(5)电磁兼容性效/费权衡
在工程的早期阶段,解决电磁干扰的途径多,技术措施易行,花费的成本较少;到工程后期才发现干扰,再去采取措施,要受到各种制约,有的是木已成舟,无计可施。后期与前期相比,即使采取同样的措施,费用将大大增加。
电磁干扰的解决措施及成本与研制进度的关系如图3:

图3 电磁干扰的解决措施及成本与研制进度的关系
4、电磁兼容性设计与分析

复杂系统必须考虑各种电和机械的接口、界面、各类信息传输、结构、布局、技术状态控制、系统配置等的电磁兼容性。在电路设计或功能设计中,不仅要追求高灵敏度、高速率、大功率,同时应考虑在保证基本功能的情况下的网络钝化、功能钝化、回避处理、降额设计等,以降低电磁干扰的危害,保证系统稳定可靠的工作。
(1)用于EMC设计与分析的主要内容有:
Ø 分析系统所处的电磁环境,正确分析后选择设计的主攻方向;
Ø 精心选择产品所用的频率;
Ø 制定电磁兼容性要求与控制计划;
Ø 对设备及模块、电路采取合理的电磁干扰抑制和防护技术;
Ø 电磁兼容设计的主要参数有:限额值、安全裕度和费效比。
(2)实施电磁兼容性预测分析,实现系统EMC的方法:
Ø 解决问题法:先建立系统,然后再设法解决安装、调测、使用中出现的电磁干扰问题。
Ø 规范法:在产品的功能和线路设计阶段就按照预先建立的标准,满足规定的极限值;
Ø 系统法:从合同招标、设计.制造、总装到试验,随着系统的研制进程,不断地进行EMC预测分析和控制分配,及时、有效地解决干扰问题。
5、 电磁兼容性设计的主要方法

关于电磁兼容性的设计是一门专业,也有很多的国家、行业标准可以参照,在此仅举出我所产品中常用到的一些方法供参考。
(1)频谱保障
根据性能和电磁兼容性要求,对各个分系统工作频段或频率进行统一选取和分配,避免各频率间的相互干扰,并尽量少占用频谱。
(2)结构设计
系统产品在结构设计时应重点(但不限于)考虑如下内容:
Ø 设计选用的金属、铸件、表面涂层和附件的型别;
Ø 结构形式,如隔舱化结构,滤波器和与其他部件的隔离,开口(通风口、检查口、窗口、舱口、仪表面板、控制轴等)所用的滤波型式和特性,所有内外接合表面上所用射频密封垫的典型衰减特性;
Ø 屏蔽设计方法:注意屏蔽体接缝处的连接方式,要有足够的重叠;屏蔽体的材料在机械加工之后应进行退火处理,去掉应力;视磁场强度可采用双层屏蔽;
Ø 要根据电磁场方向来确定元器件的位置和隔离措施;
Ø 腐蚀控制措施。
(3)电子、电气布线、接地设计
Ø 信号中大量的干扰是信号之间通过电线、电源线产生的共模干扰。为解决这个问题,通常电源输入端采用了EMC滤波器;
Ø 各种走线尽可能短、直、均匀、拐圆角或斜角;信号线与回流线尽量靠近;
Ø 机壳采用双层屏蔽结构,高频模块和低频模块、高频各模块之间均隔离屏蔽;
Ø 电缆束的布置应避免形成回路状走向;
Ø 为减少发射和降低敏感度而对电子、电气线路的布线设计,电缆分隔屏蔽和敷设、接地原则等需要提出详细说明,并规定统一的方法。
(4) 电路电磁兼容设计
Ø 印制电路板采用双面介质板,高频信号用微带线;
Ø 数字信号和模拟信号分开,减少耦合;
Ø 高频信号多点就近接地到机壳上,电源地在信号**级放大器处和信号地相接,数字信号地直接接到数字芯片*近处;
Ø 在二次电源模块前加入EMI电源滤波器以吸收外部对内和内部对外的电磁干扰。屏蔽盒内采用带EMI吸收的滤波器穿心电容馈电;
Ø 地线要求:高频信号屏蔽机壳虽然是信号地和二次电源输出地但不作为电源载流回线,二次电源输出端设计专用的电源回线;
Ø 接插件的连接方法采用双点、双线的连接方式。消除接插件接触不佳引起的打火干扰。
(5) 工作频点及工作模式设计
对电子设备工作频点较多,频率范围较宽时,设计上要避免干扰频率落在信号通带内;对多个设备或系统工作时会互相产生干扰,而在设计上又无法避免的情况,可考虑利用分时工作模式设计。
6、 保证产品电磁兼容性应开展的工作

根据项目研制的不同阶段,电磁兼容性工作有不同的内容,大致包括:
(1) 论证阶段
Ø 确定和分析预期的电磁环境;
Ø 提出电磁兼容性的一般要求;
Ø 分析方案的费用、风险、对既定任务的影响;
Ø 研究系统频谱、频率分配与利用的合理性;
(2) 方案阶段
Ø 制订电磁兼容性大纲、控制计划;
Ø 成立电磁兼容性相关组织管理机构或技术组,落实责任;
Ø 制定、选用、剪裁适用的标准及规范;
Ø 确定系统.分系统、设备的电磁兼容性要求;
Ø 确定频谱和频率分配,编制频率使用管理文件;
Ø 确定验证要求、试验计划;
Ø 电磁兼容性阶段评审。
(3) 工程研制阶段
Ø 实施电磁兼容性控制计划,功能设计中进行电磁兼容性设计;
Ø 进行电磁兼容性模拟、考核试验,验证符合性,改进电磁兼容性设计,提交试验报告;
Ø 评审电磁兼容性设计更改及对工程的影响;
Ø 确定工艺和安装中的电磁兼容性;
Ø 确定使用和维修中的电磁兼容性要求;
Ø 电磁兼容性阶段评审。
(4)定型阶段
Ø 进行电磁兼容性定型鉴定试验;
Ø 审查电磁兼容性文件的完整性、符合性;
Ø 提交电磁兼容性综合评价报告。
高度重视产品的电磁兼容性工作,在产品研制的各阶段将电磁兼容性工作做到位,更好地提高产品的六性水平,保证产品的有效应用及装备。

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