淺析EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

于 超

(上海添唯認(rèn)證技術(shù)有限公司, 上海 200063)

0 引 言

隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 37150—2019《電磁兼容可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則》、GB/T 38659.1《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第1部分:電子電氣設(shè)備》、GB/T 38659.2《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第2部分:電子電氣系統(tǒng)》、GB/T 38659.3《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第3部分:電子電氣系統(tǒng)》、GB/T 38659.4《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第4部分:設(shè)備分析方法》正式發(fā)布,EMC領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容逐漸形成。

EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)建立在產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)分析方法的基礎(chǔ)上,利用通用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段,按風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的程序,劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)理想模型(其中理想模型可以分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)EMC理想模型、產(chǎn)品架構(gòu)EMC設(shè)計(jì)理想模型和產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)理想模型)、確定風(fēng)險(xiǎn)要素,再根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)的信息與理想模型中所有的風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行比較,以識(shí)別產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),最終獲得產(chǎn)品的EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)用來(lái)表明產(chǎn)品應(yīng)對(duì)EMC測(cè)試的通過(guò)概率或產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障的概率。該評(píng)估手段及得到的結(jié)果可以直接用來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行EMC合格評(píng)定。

2023年2月23日,全國(guó)無(wú)干委第一屆電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分委會(huì)成立大會(huì)暨第一屆一次會(huì)議于浙江杭州順利召開(kāi),會(huì)上發(fā)布了《電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系》。

1 EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)原型

文獻(xiàn)[1-2]基于EMC測(cè)試原理,解讀一種產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的分析方法(包括產(chǎn)品機(jī)械架構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì))。該方法可以用來(lái)指導(dǎo)產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì),掌握該技術(shù)的工程師可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的缺陷。

文獻(xiàn)[1-2]描述了產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)分析方法,根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)情況,對(duì)應(yīng)產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的相關(guān)因素逐個(gè)進(jìn)行分析。然而,在工程應(yīng)用中,還有存在如下問(wèn)題。

(1) 產(chǎn)品的最終EMC性能,不是產(chǎn)品中某個(gè)或某幾個(gè)EMC設(shè)計(jì)點(diǎn)決定的,它是所有EMC相關(guān)因素綜合設(shè)計(jì)的結(jié)果。當(dāng)產(chǎn)品實(shí)際的設(shè)計(jì)結(jié)果在某一個(gè)或幾個(gè)EMC相關(guān)因素沒(méi)有滿足時(shí),設(shè)計(jì)者往往需要決定是否需要花成本去改進(jìn),但是設(shè)計(jì)者往往無(wú)法知道這一個(gè)或幾個(gè)EMC相關(guān)因素沒(méi)有滿足是否會(huì)導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗,最后導(dǎo)致設(shè)計(jì)者總是在成本、付出與EMC測(cè)試成敗的結(jié)果之間猶豫。

(2) 不進(jìn)行EMC測(cè)試的情況下,是否能評(píng)定產(chǎn)品的EMC性能?EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法就能解決以上問(wèn)題,它會(huì)給出一種EMC測(cè)試失敗的風(fēng)險(xiǎn)概率,通過(guò)這種概率可以幫助設(shè)計(jì)者做出是否需要增加成本去繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的決定,降低EMC測(cè)試失敗的風(fēng)險(xiǎn)概率。EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)建立在EMC設(shè)計(jì)分析方法的基礎(chǔ)上,利用通用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估手段,按風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的程序,劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)理想模型(其中理性模型可以分為產(chǎn)品架構(gòu)EMC設(shè)計(jì)理想模型和產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)理想模型)、確定風(fēng)險(xiǎn)要素,再根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)的信息與理想模型中所有的風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行比較,以識(shí)別產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),最終通過(guò)較為成熟的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的技術(shù)和算法,獲得產(chǎn)品的EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)用來(lái)表明產(chǎn)品應(yīng)對(duì)EMC測(cè)試失敗的概率、EMC測(cè)試通過(guò)率或產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障的概率。EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)應(yīng)用的意義在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、管理者和鑒定者可以在不進(jìn)行EMC測(cè)試的情況下,預(yù)知產(chǎn)品EMC測(cè)試失敗的概率,對(duì)其進(jìn)行合格評(píng)定。不進(jìn)行昂貴的EMC測(cè)試就可以評(píng)定產(chǎn)品的EMC性能。

正確應(yīng)用EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)可以無(wú)須EMC測(cè)試而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行EMC性能評(píng)價(jià)或合格評(píng)定,也可以與EMC測(cè)試結(jié)果結(jié)合對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綜合的EMC評(píng)價(jià)或合格評(píng)定,還可以作為產(chǎn)品進(jìn)行正式EMC測(cè)試之前的預(yù)評(píng)估,以降低企業(yè)研發(fā)測(cè)試成本。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者或使用者使用EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù),可以看到被評(píng)估產(chǎn)品在EMC方面存在的優(yōu)點(diǎn)、缺陷與風(fēng)險(xiǎn),可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品EMC測(cè)試的通過(guò)率,也可以評(píng)價(jià)產(chǎn)品在其生命周期中的EMC表現(xiàn)。

2 EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 GB/Z 37150國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/Z 37150—2019《電磁兼容可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則》基于GB/T 27921—2011《風(fēng)險(xiǎn)管理 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn),講述什么是EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和程序的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)從EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目的和作用、EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象、風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則出發(fā),簡(jiǎn)述了 EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程,包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具等內(nèi)容。

2.2 GB/T 38659.1—2012國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 38659.1—2012《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第1部分:電子電氣設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為電子電氣產(chǎn)品的EMC性能與架構(gòu)設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)的20個(gè)要素(標(biāo)準(zhǔn)中描述為風(fēng)險(xiǎn)要素)有關(guān),其中與機(jī)械架構(gòu)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)要素有10個(gè),與印刷電路板相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)要素也有10個(gè)。

這20個(gè)要素可分為如下幾級(jí):

① Ⅰ級(jí):特定條件下不能滿足時(shí),一定會(huì)導(dǎo)致某項(xiàng)測(cè)試失敗,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為K1=0.4;② Ⅱ級(jí):不能滿足時(shí),必須有其他特定的彌補(bǔ)措施才能避免測(cè)試失敗,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為K2=0.3;③ Ⅲ級(jí):不能滿足時(shí),不一定會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失敗,但影響相對(duì)較大,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為K3=0.2。④ Ⅳ級(jí):不能滿足時(shí),不一定會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失敗,但影響較小,風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為K4=0.1。

當(dāng)這20個(gè)要素的設(shè)計(jì)完美時(shí),就產(chǎn)生了理想的EMC設(shè)計(jì)模型。而產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)的情況在這20個(gè)要素上與理想的設(shè)計(jì)模型之間存在差距時(shí),就產(chǎn)生了EMC風(fēng)險(xiǎn),綜合這些風(fēng)險(xiǎn)就產(chǎn)生了電子電氣產(chǎn)品整機(jī)的EMC風(fēng)險(xiǎn)值。這個(gè)值可以代表電子電氣產(chǎn)品的EMC測(cè)試通過(guò)率。

2.3 GB/T 38659.2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 38659.2—2021《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第2部分:電子電氣系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)提到的系統(tǒng)是相對(duì)單個(gè)設(shè)備而言的[3]。電子電氣設(shè)備是單一封裝的設(shè)備,其設(shè)備構(gòu)成、線纜數(shù)量、耦合關(guān)系相對(duì)簡(jiǎn)單,而電子電氣系統(tǒng)則包括了多個(gè)電子電氣產(chǎn)品,如汽車、艦船、飛機(jī)等,都屬于電子電氣系統(tǒng)。電子電氣系統(tǒng)分為全集成電子電氣系統(tǒng)和半集成電子電氣系統(tǒng)。

電子電氣系統(tǒng)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是建立在被評(píng)估系統(tǒng)中的所有產(chǎn)品或部件完成EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提下的,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 37150—2018電磁兼容可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則規(guī)定的程序?qū)ο到y(tǒng)的機(jī)械架構(gòu)、互聯(lián)線纜處理、線纜間串?dāng)_等EMC設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估,以獲得整個(gè)系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)值。

全集成電子電氣系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在被評(píng)估系統(tǒng)中的所有產(chǎn)品已完成EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提下進(jìn)行的,通常不涉及電路板的EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。對(duì)全集成電子電氣系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),其中的電子電氣產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)完成,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)值已經(jīng)獲得,可以參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38659.1—2020《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 第1部分:電子電氣設(shè)備》[4]。電子電氣產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果或風(fēng)險(xiǎn)值是電子電氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要素之一。

半集成電子電氣系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)中非完整產(chǎn)品的部件按GB/T 38659.1—2020《電磁兼容 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估第1部分:電子電氣設(shè)備》的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,得出部件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)值,然后結(jié)合系統(tǒng)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)要素及其他產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,綜合獲得整個(gè)系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)值。

該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為電子電氣系統(tǒng)的EMC性能與9個(gè)要素(標(biāo)準(zhǔn)中描述為風(fēng)險(xiǎn)要素)有關(guān),這9個(gè)要素的設(shè)計(jì)完美時(shí),就產(chǎn)生了理想的EMC設(shè)計(jì)模型。當(dāng)產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)的情況在這9個(gè)要素上與理想的設(shè)計(jì)模型之間存在差距時(shí),就產(chǎn)生了EMC風(fēng)險(xiǎn),綜合這些風(fēng)險(xiǎn)就產(chǎn)生了電子電氣系統(tǒng)的EMC風(fēng)險(xiǎn)值。這個(gè)值可以代表電子電氣系統(tǒng)的EMC測(cè)試通過(guò)率。

3 EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估揭示EMC測(cè)試

根據(jù)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的描述,設(shè)備的EMC風(fēng)險(xiǎn)要素可分為19項(xiàng)(系統(tǒng)為9項(xiàng)),這19項(xiàng)也是設(shè)備EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素,產(chǎn)品的EMC性能主要是設(shè)計(jì)者在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)所賦予的。如果把每個(gè)EMC風(fēng)險(xiǎn)要素或EMC設(shè)計(jì)要素當(dāng)成一道考題,并且每項(xiàng)的設(shè)計(jì)結(jié)果可用具體的量化分值來(lái)表示,那么考試的綜合結(jié)果就是設(shè)備的EMC性能,這需要設(shè)備設(shè)計(jì)者來(lái)解答。如果給予19個(gè)EMC設(shè)計(jì)項(xiàng)目總分為100的話,那么其中:① 3道為10分題,共計(jì)30分;② 7道為6分題,共計(jì)42分;③ 5道為4分題,共計(jì)20分;④ 4道為2分題,共計(jì)8分。

設(shè)備EMC設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)分析項(xiàng)目如表1所示。

表1 設(shè)備EMC設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)分析項(xiàng)目

產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品最終是否能通過(guò)EMC測(cè)試的前提。當(dāng)前由EMC測(cè)試評(píng)判每個(gè)項(xiàng)目的綜合解答結(jié)果,測(cè)試通過(guò)表示答題情況綜合較好,不能通過(guò)測(cè)試則表示答題情況綜合較差。

EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是一種除了EMC測(cè)試之外,也可以對(duì)產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)做評(píng)價(jià)的方法。在EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中,表1中的項(xiàng)目為風(fēng)險(xiǎn)要素,按風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析、賦值的過(guò)程叫風(fēng)險(xiǎn)分析。于是形成了19個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分析項(xiàng)目,對(duì)每個(gè)項(xiàng)目分析后會(huì)形成每項(xiàng)的扣分值,這些被扣的分累加后,可得出產(chǎn)品整機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論,即產(chǎn)品整機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值,此時(shí),該產(chǎn)品在EMC設(shè)計(jì)方面19道考題的總得分即為100減去產(chǎn)品整機(jī)風(fēng)險(xiǎn)值。

因此,EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)是設(shè)計(jì)者除EMC測(cè)試之外,可以給產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)的19道考題解答情況做綜合評(píng)判的新方法,它可以以分值的方式來(lái)表達(dá)EMC設(shè)計(jì)效果。

4 EMC設(shè)計(jì)及格線

根據(jù)GB/T 38659.1—2020中的描述,產(chǎn)品整機(jī)的EMC風(fēng)險(xiǎn)值代表產(chǎn)品實(shí)際的EMC水平與理想模型之間的差距,它是一個(gè)客觀值。產(chǎn)品EMC測(cè)試的要求是由產(chǎn)品所在應(yīng)用場(chǎng)所類型決定的,當(dāng)判斷產(chǎn)品是否通過(guò)EMC測(cè)試時(shí),往往需要先確定產(chǎn)品所應(yīng)用的場(chǎng)所類型,不同的應(yīng)用場(chǎng)所類型具有不同的EMC測(cè)試要求。因此,如果需要用產(chǎn)品整機(jī)的EMC風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)評(píng)估產(chǎn)品EMC測(cè)試是否通過(guò)的概率,那么應(yīng)該先確定產(chǎn)品所應(yīng)用的場(chǎng)所類型。

產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)所(即場(chǎng)所決定產(chǎn)品EMC測(cè)試等級(jí)或EMC要求)根據(jù)GB/Z 18039.1—2019可分為四類:① 具有特殊保護(hù)的環(huán)境,如道路車輛內(nèi)部;② 居住場(chǎng)所;③ 商業(yè)/公共場(chǎng)所;④ 工業(yè)場(chǎng)所。

產(chǎn)品整機(jī)EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是由產(chǎn)品的整機(jī)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值(包括EMS風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值和EMI風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值)和產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)所類型共同決定的。

產(chǎn)品整機(jī)EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是產(chǎn)品整機(jī)EMC測(cè)試失敗事件發(fā)生的概率,從高到低可分為 T、U、V、W 4級(jí):① T:高度風(fēng)險(xiǎn)(測(cè)試不能通過(guò),而且項(xiàng)目較多);② U:顯著風(fēng)險(xiǎn)(測(cè)試不能通過(guò),但項(xiàng)目較少);③ V:一般風(fēng)險(xiǎn)(測(cè)試基本通過(guò));④ W:稍有風(fēng)險(xiǎn)(測(cè)試通過(guò),并有余量)。

產(chǎn)品整機(jī)EMS風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表如表2所示?；陲L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論,再根據(jù)產(chǎn)品所選擇的應(yīng)用場(chǎng)所類型,按表2所示最終確定產(chǎn)品整機(jī)EMS風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表2 產(chǎn)品整機(jī)EMS風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

產(chǎn)品整機(jī)EMI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表如表3所示。基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,再根據(jù)產(chǎn)品所選擇的應(yīng)用場(chǎng)所類型,按表3所示最終確定產(chǎn)品整機(jī)EMI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)?？紤]到具有特殊保護(hù)的環(huán)境中可能還存在細(xì)分,在EMI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確認(rèn)時(shí),可增加第X類應(yīng)用場(chǎng)所(如第X類應(yīng)用場(chǎng)所可對(duì)應(yīng)按GB/T 18655—2018中規(guī)定的4、5級(jí)EMI測(cè)試要求,第一類應(yīng)用場(chǎng)所可對(duì)應(yīng)按GB/T 18655—2018中規(guī)定的1、2、3級(jí)EMI測(cè)試要求)。

表3 產(chǎn)品整機(jī)EMI風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)產(chǎn)品整機(jī)EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表可知,產(chǎn)品要通過(guò)EMC測(cè)試,在不同環(huán)境下,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值由30～70不等。最高要求的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值只有小于30～40分,即EMC設(shè)計(jì)扣分最多不超過(guò)40分。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的EMC測(cè)試要求最高EMC設(shè)計(jì)措施達(dá)到60分,即及格分。