DFSS在車載電子產(chǎn)品輻射抗干擾測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)中的應(yīng)用

高 京

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

車載電子電器零件是車輛電器系統(tǒng)的組成部分，其在電磁環(huán)境中的抗干擾特性直接影響著在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的車輛電器系統(tǒng)的抗干擾免疫力。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、安全氣囊控制模塊等和安全相關(guān)的控制模塊，若其抗電磁干擾能力得不到保證，不僅影響最終客戶使用車輛的穩(wěn)定性、安全性，還會(huì)影響車輛生產(chǎn)商的形象及經(jīng)濟(jì)效益。因此，為保證電子電器零件的抗干擾能力，除了設(shè)計(jì)考慮、過(guò)程管控外，還要在設(shè)計(jì)鎖定后完成相應(yīng)的電磁騷擾和抗干擾的測(cè)試。本文以設(shè)計(jì)驗(yàn)證為背景，結(jié)合DFSS的方法，優(yōu)化車載電子產(chǎn)品在電磁抗干擾測(cè)試中的方法，提升測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)準(zhǔn)確度，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

筆者在實(shí)際的工作中就遇到過(guò)：相同的被測(cè)試樣件在不同的測(cè)試場(chǎng)地，由于場(chǎng)強(qiáng)的偏差，導(dǎo)致最終的測(cè)試結(jié)果不一致，即其中一個(gè)測(cè)試場(chǎng)地的結(jié)果是合格的，另一個(gè)測(cè)試場(chǎng)地的測(cè)試結(jié)果是不合格的。本文結(jié)合DFSS的方法，闡述如何校準(zhǔn)場(chǎng)地的場(chǎng)強(qiáng)，以達(dá)到不同測(cè)試場(chǎng)地，得到相同測(cè)試結(jié)果的目的。

1 DFSS簡(jiǎn)介

DFSS(Design For Six Sigma)即六西格瑪設(shè)計(jì)，是運(yùn)用一套系統(tǒng)化的工程技術(shù)以設(shè)計(jì)出符合六西格瑪水平的產(chǎn)品、流程或服務(wù)的管理制度。

DFSS一般分為I(Identify識(shí)別)、D(Design設(shè)計(jì))、O(Optimize優(yōu)化)、V(Validation驗(yàn)證)4個(gè)階段。

本文重點(diǎn)介紹DFSS在輻射抗干擾測(cè)試中為保證測(cè)試結(jié)果一致性的優(yōu)化參數(shù)選擇及實(shí)際測(cè)試應(yīng)用。

2 輻射抗干擾電波暗室法測(cè)試介紹

2.1 電波暗室法

電波暗室法 (GB/T 33014.2)是指產(chǎn)品對(duì)連續(xù)窄帶輻射電騷擾的抗擾試驗(yàn)方法，適用頻率為80～18000 MHz，根據(jù)用戶指定的頻率范圍和相應(yīng)的試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。

本測(cè)試使用替代法進(jìn)行，使用前向功率作為替代法場(chǎng)強(qiáng)的標(biāo)定和試驗(yàn)的基準(zhǔn)參數(shù)。試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行：場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定與連接上線束和外圍設(shè)備的DUT試驗(yàn)。在場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定階段確定獲得預(yù)定場(chǎng)強(qiáng)所需的射頻功率。

2.2 場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定

用戶規(guī)定的場(chǎng)強(qiáng) (試驗(yàn)等級(jí))應(yīng)在每次試驗(yàn)開(kāi)始前都進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)記錄每個(gè)試驗(yàn)頻率下產(chǎn)生固定場(chǎng)強(qiáng) (使用場(chǎng)探頭進(jìn)行測(cè)量)所需的前向功率，使用未調(diào)制的正弦波進(jìn)行標(biāo)定。

具體的標(biāo)定方法和定義均在GB/T 33014.2標(biāo)準(zhǔn)中有所描述，在此不再?gòu)?fù)述，將重點(diǎn)介紹運(yùn)用DFSS方法，確保不同測(cè)試場(chǎng)地場(chǎng)強(qiáng)一致，確保不同場(chǎng)地進(jìn)行相同DUT測(cè)試結(jié)果的一致性。

3 DFSS在抗擾測(cè)試中場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定的案例

3.1 明確測(cè)試場(chǎng)地技術(shù)要求

以某款車型安裝于乘客艙的某電子系統(tǒng)為例。其定義的要求如下：①測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)：100V/m；②功能判定等級(jí)：Class A。

結(jié)合測(cè)試條件，運(yùn)用DFSS D階段的方法，確定測(cè)試的技術(shù)要求如下：①場(chǎng)強(qiáng)均值μ(V/m，望目)：99≤μ≤105；②場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差σ(望小)≤3。詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試場(chǎng)地技術(shù)要求

3.2 影響測(cè)試結(jié)果因子及優(yōu)化

在輻射抗干擾測(cè)試中，影響因素分布圖如圖1所示，根據(jù)DFSS設(shè)計(jì)階段所產(chǎn)生的概念設(shè)計(jì)可見(jiàn)，影響測(cè)試結(jié)果的因素共有13個(gè)，見(jiàn)圖1中的各標(biāo)注。

圖1 影響因素分布圖

為簡(jiǎn)化影響因子，重新設(shè)計(jì)制作了場(chǎng)強(qiáng)探頭支架 (圖2)、1 GHz以上接收天線工裝支架 (圖3)、根據(jù)實(shí)際被測(cè)樣件制作相應(yīng)的固定支架，制作天線與測(cè)試桌之間的固定夾具 (圖4)，增加天線上的水平測(cè)量?jī)x (圖5)，確認(rèn)天線的指向性。

圖2 探頭新老支架對(duì)比

圖3 1 GHz以上接收天線工裝新舊支架對(duì)比

圖4 天線與測(cè)試桌之間的參考支架定位

圖5 增加天線水平測(cè)量?jī)x

此外，還對(duì)各對(duì)應(yīng)測(cè)試夾具和被測(cè)件用色標(biāo)固定了相應(yīng)的位置，以減少測(cè)試過(guò)程中此因素所帶來(lái)的不確定影響。

3.3 影響測(cè)試結(jié)果因子分析

根據(jù)GB/T 33014.2輻射抗干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合DFSS的分析，影響測(cè)試結(jié)果的因子共分為7個(gè)，其特性及指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 影響測(cè)試結(jié)果因子的特性及指標(biāo)

3.4 影響測(cè)試結(jié)果因子簡(jiǎn)化

結(jié)合表2中的變量1、4、5，通過(guò)相對(duì)應(yīng)的夾具進(jìn)行控制 (圖2～圖4)，可認(rèn)為是恒定的量，因此簡(jiǎn)化后的因子及變量如下。

針對(duì)1GHz以下的測(cè)試，因子簡(jiǎn)化為2個(gè)：①場(chǎng)強(qiáng)探頭的縱向位置X1：場(chǎng)強(qiáng)探頭在縱向上偏離中心點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；②場(chǎng)強(qiáng)探頭的垂向位置X2：場(chǎng)強(qiáng)探頭在垂向上偏離中心點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

針對(duì)1GHz以上的測(cè)試，因子簡(jiǎn)化為3個(gè)：①場(chǎng)強(qiáng)探頭的縱向位置Y1：場(chǎng)強(qiáng)探頭在縱向上偏離中心點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；②場(chǎng)強(qiáng)探頭的垂向位置Y2：場(chǎng)強(qiáng)探頭在垂向上偏離中心點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；③測(cè)試天線的垂向位置Y3：測(cè)試天線在垂向上偏離中心點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

3.5 測(cè)試及結(jié)果分析

3.5.1 1 GHz以下測(cè)試分析

根據(jù)3.4章節(jié)中的變量，使用2K因子法，其測(cè)試直交表為2X22+2：重復(fù)2次測(cè)試，2因子2水平，但由于不確認(rèn)中心點(diǎn)是否有彎曲，因此再在中心點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)試。為查看不同操作者對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，選擇2組區(qū)組，即2個(gè)不同的操作者進(jìn)行相同的測(cè)試。測(cè)試矩陣和測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

結(jié)合Minitab軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)平均值μ的Pareto數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖6，該數(shù)據(jù)說(shuō)明場(chǎng)強(qiáng)探頭縱向因子和場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向因子對(duì)平均值μ的貢獻(xiàn)不顯著 (P＞0.05)。通過(guò)對(duì)平均值μ的主效應(yīng)圖分析 (圖7)，角點(diǎn)的效應(yīng)沒(méi)有中心點(diǎn)的效應(yīng)顯著。對(duì)平均值μ的方差分析 (圖8)，區(qū)組對(duì)所產(chǎn)生的方差貢獻(xiàn)比較大，而區(qū)組為測(cè)試人員的差異，說(shuō)明需要加強(qiáng)對(duì)測(cè)試人員的培訓(xùn)。

表3 1 GHz以下測(cè)試分析中測(cè)試矩陣和測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 1 GHz以下平均值μ的Pareto數(shù)據(jù)分析

圖7 1 GHz以下平均值μ的主效應(yīng)圖

圖8 1 GHz以下平均值μ的方差分析

結(jié)合Minitab軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差σ的Pareto的數(shù)據(jù)分析 (圖9)，場(chǎng)強(qiáng)探頭縱向因子和場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向因子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的貢獻(xiàn)不顯著 (P＞0.05)，但區(qū)組的貢獻(xiàn)顯著 (P＜0.05)。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σ的主效應(yīng)圖分析見(jiàn)圖10，角點(diǎn)的效應(yīng)沒(méi)有中心店的效應(yīng)顯著。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差σ的方差分析 (圖11)，區(qū)組對(duì)所產(chǎn)生的方差貢獻(xiàn)比較大，而區(qū)組為測(cè)試人員的差異，說(shuō)明需要加強(qiáng)對(duì)測(cè)試人員的培訓(xùn)。

圖9 1 GHz以下標(biāo)準(zhǔn)差σ的Pareto的數(shù)據(jù)分析

圖10 1 GHz以下標(biāo)準(zhǔn)差σ的主效應(yīng)圖

圖11 1 GHz以下標(biāo)準(zhǔn)差σ的方差分析

3.5.2 1 GHz以上測(cè)試分析

根據(jù)3.4章節(jié)的內(nèi)容，使用2K因子法，其測(cè)試直交表為2X23+2，重復(fù)2次測(cè)試，3因子2水平，由于不確認(rèn)中心點(diǎn)是否彎曲，因此再在中心點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)試。為查看不同操作者對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，選擇2組區(qū)組，即2個(gè)不同的操作者進(jìn)行相同的測(cè)試。1 GHz以上測(cè)試分析中測(cè)試矩陣和測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

結(jié)合Minitab軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析平均值μ無(wú)彎曲 (P＞0.05)，1 GHz以上平均值方差分析如圖12所示，但標(biāo)準(zhǔn)差有彎曲 (P＜0.05)，標(biāo)準(zhǔn)差方差分析如圖13所示。曲率顯著，因此應(yīng)繼續(xù)采用CCD方法分析，見(jiàn)表5。

結(jié)合Minitab的分析曲面設(shè)計(jì)，可分別得到平均值與場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向、縱向位置的等值線分析圖 (圖14)，以及標(biāo)準(zhǔn)差與場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向、縱向位置的等值線分析圖 (圖15)。

表4 1 GHz以上測(cè)試分析中測(cè)試矩陣和測(cè)試數(shù)據(jù)

圖12 1 GHz以上平均值方差分析

圖13 1 GHz以上標(biāo)準(zhǔn)差方差分析

從平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的分析等值線可以看出，數(shù)據(jù)中心向場(chǎng)強(qiáng)探頭縱向位置有偏移，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均如此，需要對(duì)場(chǎng)強(qiáng)探頭和天線的位置進(jìn)行調(diào)整。

直接在軟件中運(yùn)行響應(yīng)優(yōu)化器，得到最優(yōu)解，響應(yīng)優(yōu)化最優(yōu)解及合意性參數(shù)值結(jié)果見(jiàn)圖16。

表5 CCD方法分析法分析的測(cè)試矩陣和測(cè)試數(shù)據(jù)

圖14 平均值與場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向、縱向位置的等值線圖

為便于制作夾具，提升可操作性，實(shí)際選擇位置及合意性參見(jiàn)圖17中的參數(shù)：場(chǎng)強(qiáng)探頭縱向位置2.0，場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向位置2.5，天線垂向位置6.0，符合合意性的參數(shù)值為0.90256(大于0.85即認(rèn)為滿足要求)。

3.6 結(jié)論及改進(jìn)措施

3.6.1 1 GHz以下測(cè)試結(jié)論及改進(jìn)措施

通過(guò)3.5.1章節(jié)中的數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論：工裝夾具對(duì)測(cè)試結(jié)果的控制效果顯著，能良好控制測(cè)試值，消除其所導(dǎo)致的不良影響；中心點(diǎn)對(duì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的效應(yīng)顯著；區(qū)組對(duì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的貢獻(xiàn)比較大。

圖15 標(biāo)準(zhǔn)差與場(chǎng)強(qiáng)探頭垂向、縱向位置的等值線圖

圖16 響應(yīng)優(yōu)化最優(yōu)解及合意性參數(shù)值

圖17 實(shí)際選擇位置及合意性參數(shù)值

針對(duì)上述結(jié)論，制定了如下解決措施：在固定工裝夾具的基礎(chǔ)上，選擇中心點(diǎn) (場(chǎng)強(qiáng)探頭縱向位置0，垂向位置0)作為測(cè)試基準(zhǔn)；更新或重新制定相應(yīng)的操作指導(dǎo)書(shū)或培訓(xùn)計(jì)劃，減少或消除區(qū)組 (測(cè)試人員)所產(chǎn)生的差異。

3.6.2 1 GHz以上測(cè)試結(jié)論及改進(jìn)措施

通過(guò)3.5.2章節(jié)中的數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論：天線探頭的縱向位置應(yīng)選擇在2.0，垂向位置應(yīng)選擇在2.5這個(gè)點(diǎn)，必須制作相應(yīng)的探頭支架進(jìn)行支撐測(cè)試；天線垂向位置必須選擇在6.0這個(gè)點(diǎn)，確保能得到一致性的測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工作中所遇到的測(cè)試結(jié)果差異問(wèn)題，首次采用DFSS方法對(duì)測(cè)試條件進(jìn)行逐一分析，并結(jié)合Minitab分析軟件對(duì)因子影響測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，找到了測(cè)試過(guò)程中影響測(cè)試結(jié)果的因子，并對(duì)該因子的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，成功解決了上海汽車集團(tuán)股份有限公司在測(cè)試過(guò)程中存在的測(cè)試結(jié)果差異的問(wèn)題。

在后續(xù)的測(cè)試運(yùn)用過(guò)程中，該方法同樣適用，為不同試驗(yàn)室間的數(shù)據(jù)對(duì)比提供了一種新的思維和分析方法，擴(kuò)寬了測(cè)試行業(yè)的分析思路，但在具體的案例中需要對(duì)各因子簡(jiǎn)化進(jìn)行慎重分析，以避免忽略了重要影響因子，對(duì)測(cè)試和分析結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。在時(shí)間和成本允許的條件下，建議全因子進(jìn)行測(cè)試和分析，以找到最優(yōu)的測(cè)試結(jié)果和效果。