一种电磁发射故障诊断与整改系统的研究应用
时间：2021-08-19 16:23:55
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[导读]以下内容为可靠性知识共享学习会的会员朋友（张童玉）的经验分享，非常感谢其支持与共享，谢谢！0 前言电磁兼容性作为现代化装备列装定型前的重要的一环，最初只被应用于军事领域，如今随着近年来现代数字设备应用范围的不断拓展，同时现代化设备对低信号电压要求越来越高，于是电磁兼容性的重要性日...
以下内容为可靠性知识共享学习会的会员朋友（张童玉）的经验分享，非常感谢其支持与共享，谢谢！
0 前言电磁兼容性作为现代化装备列装定型前的重要的一环，最初只被应用于军事领域，如今随着近年来现代数字设备应用范围的不断拓展，同时现代化设备对低信号电压要求越来越高，于是电磁兼容性的重要性日渐突出，在社会各个行业也越来越受重视。国内对电磁兼容的理论研究较多，通过频谱分析、仿真模拟等方式，指导装备产品按照电磁兼容性能指标要求进行设计，但装备产品最终是否满足指标要求还需要进行试验验证。在工程实际应用中，往往发现装备产品无法通过一次性设计达到GJB151B－2013标准要求，往往需要耗费较多的时间和精力大量的后期故障分析、解决、处理。作为第三方试验检测机构，如何帮助设计工程师完善电磁兼容设计工作获得通过电磁兼容试验标准的装备，探索出效率更高、效果更好、性价比更优的电磁兼容故障诊断与整改方式，从而缩短二次研发产品的周期，降低二次研发成本，对后续产品改进设计具有指导意义。因此，电磁兼容整改的意义显得尤为重要。本文介绍一种办公室环境下的电磁发射故障诊断与整改系统，帮助产品技术工程师、系统集成工程师快速完成故障诊断与整改工作。
1 电磁兼容性电磁兼容是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。主要有两个含义，一个是设备或者系统在预定的电磁环境中能够正常工作，另一个是两个以上的电子设备或者系统同时工作时，互相之间不会产生电磁干扰的状态；其设计的目的有两个，一个是保证电路之间、模块之间、系统内部的自兼容，另一个是顺利通过电磁兼容试验。电压电流的变化通过导线传输时有两种形态，即共模和差模。设备的电源线，信号线等的通信线，与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线外通常还有第三个导体，那就是“地”。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；一种是两根导线作为去路，地作为返回路传输。前者成为差模，后者成为共模。
2 电磁兼容原理基于电磁兼容原理，最为常见的整改方式有3种：接地、屏蔽、滤波。2.1 接地接地是抑制噪声、防止干扰的主要方法，是EMC设计的最重要的方面。其目的：（1）接地是整个电路系统中的所有单元都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定工作；（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地为瞬态干扰提供泄放通道，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地释放。（3）保证安全工作。发生雷电感应或者输入电压因绝缘不良或者其他原因直接与机壳相通时，避免人员触电或者设备损坏。（4）减少流过产品中PCB板的共振干扰电流。同时避免产品内部的高频EMI信号流向产品中的等效发射天线。电路设计之初就应该先考虑到接地设计。接地是使不希望的噪声、干扰极小化并对电路进行隔离划分的一个重要方法。2.2 电磁屏蔽电磁屏蔽的作用是切断电磁能量从空间传播的路径，达到消除电磁干扰的目的。用屏蔽体将元器件、电路、组件、电缆或者整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们接受到外界电磁场的影响。在大多数的产品工程应用中，利用发射原理来进行屏蔽占多数。图1 电场屏蔽原理图2.3电磁干扰滤波电磁干扰从设备内发射处理，或进入设备只有两种途径，即空间电磁辐射的形式和电路沿着导体传导的形式，主要采用干扰滤波器，阻止较高频率的信号通过。电磁干扰滤波有三个特殊点：第一，干扰滤波电路所连接的电路往往没有确定的阻抗，而传统的滤波技术都是基于电路阻抗特定的场合。第二，电磁干扰滤波要衰减的频率范围往往很宽，一般达到数百兆赫兹，而不像传统的滤波电路仅对一个较窄的频率范围内的信号进行衰减，这种宽频率的滤波在实现方面难度较大；第三，干扰滤波往往面对频率很高的噪声信号，这时滤波电路中的各种杂散参数是不能忽视的，而大部分工程师对于怎样控制这些杂散参数了解很少。电磁干扰滤波与电磁屏蔽是相互补充的两个电磁兼容保证措施。图2 干扰滤波器的使用
3 电磁兼容故障诊断及整改
3.1 故障诊断及整改系统的设计此故障诊断及整改系统设计主要依托最基本的电磁兼容试验项目CE102试验和RE102试验。因为装备产品要通过CE102试验和RE102试验，必须在电源线、信号电缆线和屏蔽箱上采取严密的技术措施，而这些措施是双向的。也就是，他们既阻止电子设备的内部电路向外部产生干扰发射，也阻止外部的电磁干扰进入内部电路。因此，当电子设备能顺利通过CE102和RE102时，就意味着电磁防护措施已经比较到位，其他的电磁干扰试验和地磁抗扰度试验不会有较大的问题。电磁发射故障诊断及整改系统主要采用了三个技术来实现小空间内CE102和RE102试验。第一，小型化的LISN作为CE102采样部件。第二，基础小型天线阵作为RE102场强测试部件。这种小型天线阵相当于普通试验室的5个天线。第三，用标准源将本实验系统的测量数据与标准场地进行比对，修正了测量误差。图3 电磁发射故障诊断及整改系统设计原理图3.2 快速完成整改设计工作这是通过三个途径来实现的。第一，快速确定到超标的原因是共模发射还是差模发射；第二，用实物仿真器快速构建一个合适滤波电路；第三，即时进行滤波电路的效果确认。传统整改中，第一不清楚导致超标的传到发射的性质（共模/差模）的，盲目设计整改电路；第二，制作滤波需要较长时间，包括购买器件、焊接电路、组装滤波器等步骤；第三，对滤波器的效果验证麻烦，需要等待试验室安排时间。由于改进方案的盲目性，往往需要多个这种低效循环周期才能完成整改。
4 整改案例分享XX公司电子机箱在办公场所通过故障诊断及整改系统完成摸底测试，并出具整改方案和措施，最终完成通过电磁兼容标准的要求。4.1 CE102摸底测试：设备传导发射干扰满足GJB-151B要求，如图4。图4 CE102摸底测试结果4.2 RE102摸底测试：200~500MHz辐射干扰较强，有多个频率点超标，不满足GJB-151B要求。如图5。图5 RE102摸底测试结果4.3 问题诊断：问题1：导电橡胶条用胶粘在壳体上，不能与外壳良好紧密接触，会造成壳体泄露。问题2：内部电源线与滤波器距离太长，内部干扰信号会辐射到电源线，从而造成指标超差，试验不通过。问题3：内部信号线干扰太大，干扰会通过信号线辐射出去。4.4 整改措施：针对利用电磁发射故障诊断与整改系统梳理的问题，完成整改方案的编制见表1：
图6
图7中 1）为1uF共模电容，（2）为滤波磁环，（3）为防波套
图84.5 整改结果：设备按照整改方案整改后，重新进行RE102测试，前后测试结果比对见图9。图9蓝线为原始RE102摸底测试曲线谱图，绿线和紫线为整改后RE102测试曲线谱图。经整改处理后，RE102顺利通过。具体结论见表2。按照整改方法二次设计后的装备通过了电磁发射故障诊断与整改系统的RE102要求，最终在第三方电磁兼容检测试验室中一次性通过通过CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103试验，满足GJB-151B要求。
5 结论本套故障诊断及整改系统的RE102与经过校准合格的第三方电磁兼容试验室进行实验室间比对，测试结果在允差范围内。其整改方式对比传统普通试验室整改的优点突出，不仅可以完成一键式CE102、RE102试验，而且可以自动修正功能消除了不同试验室的偏差，其便捷的自检功能确保试验结果可信，内嵌的纯净电源使试验更加简单，大大提高整改效率，可以快速且有效辅助结合产品设计师和系统工程师完成装备产品的电磁兼容试验项目整改工作。本电磁发射故障诊断与整改系统的应用性和参考性具有推广价值。 以上内容为北京长城、东展科博提供支持，谢谢。以上内容，若有不正确，请指导修正，欢迎持续讨论，谢谢！
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0 前言电磁兼容性作为现代化装备列装定型前的重要的一环，最初只被应用于军事领域，如今随着近年来现代数字设备应用范围的不断拓展，同时现代化设备对低信号电压要求越来越高，于是电磁兼容性的重要性日渐突出，在社会各个行业也越来越受重视。国内对电磁兼容的理论研究较多，通过频谱分析、仿真模拟等方式，指导装备产品按照电磁兼容性能指标要求进行设计，但装备产品最终是否满足指标要求还需要进行试验验证。在工程实际应用中，往往发现装备产品无法通过一次性设计达到GJB151B－2013标准要求，往往需要耗费较多的时间和精力大量的后期故障分析、解决、处理。作为第三方试验检测机构，如何帮助设计工程师完善电磁兼容设计工作获得通过电磁兼容试验标准的装备，探索出效率更高、效果更好、性价比更优的电磁兼容故障诊断与整改方式，从而缩短二次研发产品的周期，降低二次研发成本，对后续产品改进设计具有指导意义。因此，电磁兼容整改的意义显得尤为重要。本文介绍一种办公室环境下的电磁发射故障诊断与整改系统，帮助产品技术工程师、系统集成工程师快速完成故障诊断与整改工作。
1 电磁兼容性电磁兼容是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。主要有两个含义，一个是设备或者系统在预定的电磁环境中能够正常工作，另一个是两个以上的电子设备或者系统同时工作时，互相之间不会产生电磁干扰的状态；其设计的目的有两个，一个是保证电路之间、模块之间、系统内部的自兼容，另一个是顺利通过电磁兼容试验。电压电流的变化通过导线传输时有两种形态，即共模和差模。设备的电源线，信号线等的通信线，与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线外通常还有第三个导体，那就是“地”。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；一种是两根导线作为去路，地作为返回路传输。前者成为差模，后者成为共模。
2 电磁兼容原理基于电磁兼容原理，最为常见的整改方式有3种：接地、屏蔽、滤波。2.1 接地接地是抑制噪声、防止干扰的主要方法，是EMC设计的最重要的方面。其目的：（1）接地是整个电路系统中的所有单元都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定工作；（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地为瞬态干扰提供泄放通道，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地释放。（3）保证安全工作。发生雷电感应或者输入电压因绝缘不良或者其他原因直接与机壳相通时，避免人员触电或者设备损坏。（4）减少流过产品中PCB板的共振干扰电流。同时避免产品内部的高频EMI信号流向产品中的等效发射天线。电路设计之初就应该先考虑到接地设计。接地是使不希望的噪声、干扰极小化并对电路进行隔离划分的一个重要方法。2.2 电磁屏蔽电磁屏蔽的作用是切断电磁能量从空间传播的路径，达到消除电磁干扰的目的。用屏蔽体将元器件、电路、组件、电缆或者整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们接受到外界电磁场的影响。在大多数的产品工程应用中，利用发射原理来进行屏蔽占多数。图1 电场屏蔽原理图2.3电磁干扰滤波电磁干扰从设备内发射处理，或进入设备只有两种途径，即空间电磁辐射的形式和电路沿着导体传导的形式，主要采用干扰滤波器，阻止较高频率的信号通过。电磁干扰滤波有三个特殊点：第一，干扰滤波电路所连接的电路往往没有确定的阻抗，而传统的滤波技术都是基于电路阻抗特定的场合。第二，电磁干扰滤波要衰减的频率范围往往很宽，一般达到数百兆赫兹，而不像传统的滤波电路仅对一个较窄的频率范围内的信号进行衰减，这种宽频率的滤波在实现方面难度较大；第三，干扰滤波往往面对频率很高的噪声信号，这时滤波电路中的各种杂散参数是不能忽视的，而大部分工程师对于怎样控制这些杂散参数了解很少。电磁干扰滤波与电磁屏蔽是相互补充的两个电磁兼容保证措施。图2 干扰滤波器的使用
3 电磁兼容故障诊断及整改
3.1 故障诊断及整改系统的设计此故障诊断及整改系统设计主要依托最基本的电磁兼容试验项目CE102试验和RE102试验。因为装备产品要通过CE102试验和RE102试验，必须在电源线、信号电缆线和屏蔽箱上采取严密的技术措施，而这些措施是双向的。也就是，他们既阻止电子设备的内部电路向外部产生干扰发射，也阻止外部的电磁干扰进入内部电路。因此，当电子设备能顺利通过CE102和RE102时，就意味着电磁防护措施已经比较到位，其他的电磁干扰试验和地磁抗扰度试验不会有较大的问题。电磁发射故障诊断及整改系统主要采用了三个技术来实现小空间内CE102和RE102试验。第一，小型化的LISN作为CE102采样部件。第二，基础小型天线阵作为RE102场强测试部件。这种小型天线阵相当于普通试验室的5个天线。第三，用标准源将本实验系统的测量数据与标准场地进行比对，修正了测量误差。图3 电磁发射故障诊断及整改系统设计原理图3.2 快速完成整改设计工作这是通过三个途径来实现的。第一，快速确定到超标的原因是共模发射还是差模发射；第二，用实物仿真器快速构建一个合适滤波电路；第三，即时进行滤波电路的效果确认。传统整改中，第一不清楚导致超标的传到发射的性质（共模/差模）的，盲目设计整改电路；第二，制作滤波需要较长时间，包括购买器件、焊接电路、组装滤波器等步骤；第三，对滤波器的效果验证麻烦，需要等待试验室安排时间。由于改进方案的盲目性，往往需要多个这种低效循环周期才能完成整改。
4 整改案例分享XX公司电子机箱在办公场所通过故障诊断及整改系统完成摸底测试，并出具整改方案和措施，最终完成通过电磁兼容标准的要求。4.1 CE102摸底测试：设备传导发射干扰满足GJB-151B要求，如图4。图4 CE102摸底测试结果4.2 RE102摸底测试：200~500MHz辐射干扰较强，有多个频率点超标，不满足GJB-151B要求。如图5。图5 RE102摸底测试结果4.3 问题诊断：问题1：导电橡胶条用胶粘在壳体上，不能与外壳良好紧密接触，会造成壳体泄露。问题2：内部电源线与滤波器距离太长，内部干扰信号会辐射到电源线，从而造成指标超差，试验不通过。问题3：内部信号线干扰太大，干扰会通过信号线辐射出去。4.4 整改措施：针对利用电磁发射故障诊断与整改系统梳理的问题，完成整改方案的编制见表1：
图6
图7中 1）为1uF共模电容，（2）为滤波磁环，（3）为防波套
图84.5 整改结果：设备按照整改方案整改后，重新进行RE102测试，前后测试结果比对见图9。图9蓝线为原始RE102摸底测试曲线谱图，绿线和紫线为整改后RE102测试曲线谱图。经整改处理后，RE102顺利通过。具体结论见表2。按照整改方法二次设计后的装备通过了电磁发射故障诊断与整改系统的RE102要求，最终在第三方电磁兼容检测试验室中一次性通过通过CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103试验，满足GJB-151B要求。
5 结论本套故障诊断及整改系统的RE102与经过校准合格的第三方电磁兼容试验室进行实验室间比对，测试结果在允差范围内。其整改方式对比传统普通试验室整改的优点突出，不仅可以完成一键式CE102、RE102试验，而且可以自动修正功能消除了不同试验室的偏差，其便捷的自检功能确保试验结果可信，内嵌的纯净电源使试验更加简单，大大提高整改效率，可以快速且有效辅助结合产品设计师和系统工程师完成装备产品的电磁兼容试验项目整改工作。本电磁发射故障诊断与整改系统的应用性和参考性具有推广价值。 以上内容为北京长城、东展科博提供支持，谢谢。以上内容，若有不正确，请指导修正，欢迎持续讨论，谢谢！
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