基于仿真方法的EMC風險要素分析

EMC Risk Assessment

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編者按：電磁兼容(EMC) 性能是所有電子電氣產(chǎn)品所必須滿足的一項技術指標，EMC測試標準為評價產(chǎn)品EMC性能提供了明確的指標數(shù)據(jù)和方法依據(jù)。但EMC測試作為一種黑盒的評價方法，顯然有其局限性。EMC風險評估技術是建立在 EMC 設計方法的基礎上，可以幫助改善現(xiàn)行EMC評估方法的局限性，以確保產(chǎn)品質(zhì)量、降低設計和生產(chǎn)成本。目前，EMC風險評估技術基本技術架構已形成，但還需繼續(xù)深化、廣泛應用并驗證。此專欄旨在更好地宣貫已經(jīng)發(fā)布的EMC風險評估標準，廣泛開展標準所涉及的技術研究、驗證，擴大EMC風險評估技術與標準的應用范圍。

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基于仿真方法的EMC風險要素分析

Analysis of EMC Risk Factors Based on Simulation Method

1上海電器科學研究所(集團) 有限公司 2上海電器設備檢測所有限公司

熊蒙' 劉嬋' 葉瓊瑜'

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摘 要：詳細介紹了電磁兼容風險要素，并以電器產(chǎn)品系統(tǒng)級的線束間串擾風險要素為研究對象，仿真分析了發(fā)射電纜注入單源干擾時，電纜間距、離地高度、電纜類型對接收電纜上串擾耦合的影響。仿真與理論結果相符，為電氣產(chǎn)品系統(tǒng)級的電纜線束間電磁兼容風險評估值賦值，提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，可縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本。

關鍵詞：電磁兼容；風險評估；線間串擾

引用格式：熊蒙，劉嬋，葉瓊瑜.基于仿真方法的EMC風險要素分析[J].安全與電磁兼容，2024(5)：96-100.

Xiong Meng, Liu Chan, Ye Qiongyu. Analysis of EMC Risk Factors Based on Simulation Method[J]. SAFETY& EMC, 2024(5): 96-100.( in Chinese)

?Abstract: In this paper, the key factors of EMC risk are introduced in detail. Taking system- level interline crosstalk of electrical products as the research object, the influence of cable spacing, ground height and cable type on the crosstalk coupling on the receiving cable when the transmiting cable is injected with single- source interference is simulated and analyzed, which provides data support for system- level EMC risk assessm ent of electrical products and effectively shorter the R & D cycle. Reduce product development costs.

?Keywords : electromagnetic compatibility; risk assessment; interline crosstalk

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0?? 引言

隨著產(chǎn)品智能化、高集成度，以及無線集成等技術的發(fā)展，電磁兼容的重要性日漸凸顯。在產(chǎn)品設計時或投產(chǎn)前進行電磁兼容(EMC)風險評估，及時發(fā)現(xiàn)電磁干擾問題，準確判斷干擾源的來源，不僅能夠減少商品的設計成本，還能有效地提高電器產(chǎn)品的電磁兼容性[1]。因此，電磁兼容風險評估在產(chǎn)品研發(fā)、設計階段對于電磁兼容的考慮十分必要。

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1? EMC 風險評估的概述

EMC 風險評估旨在為EMC風險應對提供基于證據(jù)的信息和分析，是基于產(chǎn)品的信息證據(jù)分析其潛在的EMC風險，可增進對電子電氣設備或電子電氣系統(tǒng)EMC 設計風險的理解[2-4]。設備EMC 風險分析是對設備中的每個EMC風險要素相對于理想模型的偏離度賦予風險評估值的過程。系統(tǒng)EMC 風險分析是對產(chǎn)品本身及產(chǎn)品間的EMC 風險要素相對于理想模型的偏離度，賦予其一定的風險評估值。

EMC風險評估的主要作用：

1) 認識產(chǎn)品設計中EMC風險及其對目標的潛在影響；

2) 增進EMC風險要素的理解，便于風險應對策略的正確選擇；

3) 識別導致EMC風險的主要因素，以及電子電氣產(chǎn)品 EMC 設計的薄弱環(huán)節(jié) ；

4) 幫助確定 EMC風險是否可接受，為決

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基金項目：上海市科技研發(fā)項目資助 (2021SN03)

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?評價構成的一個完整過程，通常風險評估活動內(nèi)嵌于風險管理過程中，與其它風險管理活動緊密融合并互相推動。圖1是 EMC風險評估流程圖，表達了整個風險評估過程及風險評估過程中的關鍵參數(shù)描述。

2??EMC 風險評估的流程

風險評估是由風險識別、風險分析和風險

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3? EMC 風險要素分析

依據(jù)對象的不同，EMC 風險評估可以分為設備級、系統(tǒng)級和工程現(xiàn)場級。設備級EMC風險評估主要應用于具體的設備(如：筆記本電腦、汽車零部件等)，從設備結構和電路板面臨的EMC風險進行評估；系統(tǒng)級EMC風險評估主要應用于由產(chǎn)品構成的系統(tǒng)(如：整車等)，對系統(tǒng)中產(chǎn)品本身及產(chǎn)品之間的EMC 風險進行評估；工程現(xiàn)場級 EMC 風險評估主要用于工程現(xiàn)場，對現(xiàn)場級復雜的應用環(huán)境、安裝條件、系統(tǒng)之間的EMC風險進行評估。

電子電氣設備的EMC 理想模型中的風險要素共19個，具體信息見表1。其中與機械架構相關的風險要素為9個，與原理圖相關的風險要素為4個，與PCB 相關的風險要素為6個[5-6]。

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表1? 電子電氣設備EMC 風險要素信息

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續(xù)表1

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續(xù)表1

電子電氣系統(tǒng)的EMC理想模型中的風險要素共11個[7-8], 具體信息見表2。

表2 電子電氣系統(tǒng) EMC 風險要素信息

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4? 電纜線束間串擾仿真研究

EMC 風險評估是一個多層次的過程，從設備級到系統(tǒng)級，再到工程現(xiàn)場級。在系統(tǒng)級的EMC 風險要素中，線束間串擾是一個重要的部分, GB/T 38659.2-2021《電磁兼容風險評估 第2部分：電子電氣系統(tǒng)》中詳細介紹了電子電氣系統(tǒng)的11個 EMC風險要素，如圖2所示，其中4個要素與線間的串擾有關。

本文以電氣產(chǎn)品系統(tǒng)級的線束間串擾風險要素為研究對象，通過一個具體的仿真案例，直觀地闡述仿真為 EMC 風險要素的風險評估值提供的數(shù)據(jù)支撐。

4.1搭建電纜線束間串擾仿真模型

線束間串擾仿真模型包括兩根電纜：一個用于注入干擾信號的發(fā)射電纜( 又稱干擾線)，另一個用于接收輻射干擾的接收電纜(又稱受擾線)。這兩個電纜通過公共接地點形成閉合環(huán)路。線束間存在的串擾主要包括電纜上的分布電阻和電感、線束間的互電容和互電感，以及電纜與地之間的分布電容。影響線束間耦合的因素包括電纜間距、電纜離地高度、電纜類型等。

為了探究上述三個因素對電纜線束間串擾的影響, 首先基于CST Cable Studio 工作室構建了兩平行電纜的3D模型，仿真模型如圖3所示，其中參考地平面尺寸設為2m(長)×1m(寬)，材質(zhì)為 PEC(聚醚型聚氨酯)，兩平行電纜的

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長度L均設為1m，電纜間距為d，離地高度為h(d、h均可變 )。然后在CST Cable Studio的電路圖界面構建時域仿真電路圖，如圖4所示。將干擾線的一端設為 Portl，用于注入干擾信號，選用的干擾信號波形如圖5所示。并在傳輸信號線、近端串擾信號線、遠端串擾信號線上添加3個探針, 分別命名為OUT、NEXT、FEXT,兩電纜的端接電阻均默認為 50Ω。

4.2仿真過程及結果

電纜線束間串擾模型搭建完畢后，發(fā)射電纜注入干擾類型保持為圖5的單源干擾，分別對不同電纜間距、不同電纜離地高度、不同電纜類型下的近端(NEXT端) 串擾耦合電壓值進行時域仿真，得到不同電纜狀態(tài)下的電壓變化曲線，進而分析不同電纜狀態(tài)對串擾耦合的影響。

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4.2.1 電纜間距的影響

保持發(fā)射電纜和接收電纜均為22AWG的單芯非屏蔽導線，電纜的離地高度h為5cm。分別設置電纜間距d為1cm、3cm、5cm, 仿真得到不同電纜間距下接收電纜近端串擾耦合電壓值的變化曲線，如圖6所示。

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由圖6可知，當電纜間距分別為1cm、3cm、5cm時，接收電纜上的串擾耦合電壓逐漸減小(峰值分別為1.48 V、0.81 V、0.52 V)。由此可得出結論：隨著電纜間距的逐漸增大，線束間的互電感、互電容逐漸減小，線束間的串擾耦合逐漸減弱。

4.2.2電纜離地高度的影響

保持發(fā)射電纜和接收電纜均為22AWG的單芯非屏蔽導線，電纜間距d為5cm。電纜離地高度 h分別設置1cm、3cm、5cm, 仿真不同電纜離地高度下接收電纜近端串擾耦合電壓值的變化曲線，如圖7所示。

由圖7 可知，當電纜離地高度分別為 1 cm、3cm、5cm時，接收電纜上的串擾耦合電壓逐漸增大 (峰值分別為0.05 V、0.29 V、0.51 V)。由此可得出結論：電纜越接近地面，電纜與地之間所構成的回路面積越小，線束間的串擾耦合越弱。

4.2.3 電纜類型的影響

實際的電子電氣系統(tǒng)中使用的電纜種類眾多，為了探究不同類型的線束對串擾耦合的影響，保持電纜間距d為1cm，離地高度h為5cm，發(fā)射電纜為22AWG的單芯非屏蔽導線，接收電纜選用電纜類型分別選為單線、雙絞線、同軸線和屏蔽雙絞線，對線束間串擾進行仿真，結果如圖8所示。

由圖8可知，接收電纜上串擾耦合電壓的峰值排序為 :單線(1.5 V) >雙絞線 ( 0.53 V)>同軸線(0.006 V) >屏蔽雙絞線(0.002 V )。由此可得出結論：屏蔽層可以很好地反射或吸收電磁波，不僅可以防止外來的電磁干擾，還可以防止自身的內(nèi)部信號向外輻射干擾；相對于單芯非屏蔽導線和雙絞線，屏蔽線的串擾幾乎可以忽略。

4.2.4 仿真結果分析

依據(jù)電纜線束間串擾仿真模型的搭建和仿真結果分析，文中關于電纜間距、電纜類型、電纜離地高度的仿真結果與理論結果相符，證明了仿真結果的準確性。因此，在實際測量不可行或條件不允許的情況下，確保仿真中電纜的材料和其它屬性參數(shù)與實際產(chǎn)品及測試環(huán)境保持一致時，仿真方法便成為可行的替代方案，為電纜線束間的風險評估值賦值提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

當電纜間距增大時，其串擾效應相應減弱，風險要素的風險評估值相對減小；電纜越接近地面，線束間的串擾耦合越弱，風險要素的風險評估值越小；對于單芯非屏蔽導線和雙絞線，風險要素的風險評估值可以忽略。

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5?? 結語

本文詳細介紹了 EMC 風險的關鍵要素，并提出了一種用于的電纜線束間串擾的仿真方法，此方法可應用于不同的產(chǎn)品和應用場景中，如可將電纜模型導入具體的產(chǎn)品模型(比如汽車、船舶等)，或將實際測得的干擾信號作為干擾源，對不同場景下的串擾信號進行仿真分析，觀察某些復雜變量對電纜線束間串擾的影響，以此作為EMC 風險要素風險評估值的依據(jù)。

此外,GB/T 38659.4-2022《EMC 風險評估 第4部分：系統(tǒng)風險分析方法》中介紹了電纜線束間串擾的風險評估值賦值原則，本文中的仿真分析方法可作為對該風險要素評估的支撐，進一步支撐風險評估標準體系的完善和發(fā)展。

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參考文獻

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[1] 王炳文.鄭久壽，陳瀟然.基于電磁兼容風險評估方法的EMC整改研究[J].安全與電磁兼容，2022(5):60-65.

[2] 鄭軍奇.產(chǎn)品設計中 EMC 風險的評估[J].低壓電器,2017(14):35-37,73.

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[4] 鄭軍奇.產(chǎn)品EMC 風險評估技術[J].安全與電磁兼容,2019(4):9-11.51

[5] 全國無線電干擾標準化技術委員會. EMC風險評估 第2部分:電子電氣系統(tǒng):GB/T 38659.1-2020[S].北京:中國標準出版社,2020.

[6] 全國無線電干擾標準化技術委員會. EMC風險評估 第3部分：設備風險分析方法：GB/T 38659.3-2022[S]. 北京: 中國標準出版社,2022.

[7] 全國無線電干擾標準化技術委員會. EMC風險評估 第2部分:電子電氣系統(tǒng):GB/T 38659.2-2021[S].北京:中國標準出版社,2021.

[8] 全國無線電干擾標準化技術委員會. EMC風險評估 第4部分：系統(tǒng)風險分析方法：GB/T 38659.4-2022[S]. 北京: 中國標準出版社,2022.

編輯: 田寧 E- mail:tianning@cesi.cn

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