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产品研制中的EMC管理

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产品研制中的EMC管理
0 摘要不经过反复实验和返工而设计出满足现代EMC要求的电子产品是很不容易的.EMC的成功要求了解市场标准,电磁干扰(EMI)现象的原理,EMI抑制技术和EMC测试方法.本文叙述了一个公司开发的一种程序,它可将EMC设计综合进产品研制过程中的各个阶段,实现了EMC一次成功.了解一个可使产品及时走出EMC实验室进入市场的内部EMC计划的重要部分.
1 前言产品研制单位若要大大提高EMC测试的一次成功率,就必须接受新的EMC思想.EMI现象不再被看成是神秘得难以分析和理解的事物.产品研制小组必须接受这样的前提:即在设计阶段是可以对EMI进行模拟和分析的,因此可以将低成本EMI抑制技术应用于一次成功的样机中.
所有的产品研制工程都应遵守明确定义的EMC设计程序.程序的第一步是要清楚地规定产品的EMC要求,包括严重失效等级和成功失败的标准.一旦确立了要求,在开始实际设计前、应进行EMC方案评审.在方案评审中、用图画出所有适用的EMC测试装置,得到一个了解每一项测试的电路示意图.然后,准备印制电路板平面图和系统布线图,包括所提出的EMC抑制策略.要明确的方案评审中无法避免的EMC风险.在工程后期,即完成实际设计后,就要进行传统的EMC设计评审,以对该设计的EMC价值进行评审.在工程结束时,将取得的经验写成文本,交给其它的部门用于培训.数字工程师,机械工程师,软件工程师以及模拟和射频工程师都必须进行EMC设计.因此,由交叉工作工程师小组(一个领导委员会)建立和维护EMC设计程序是很重要的.领导委员会的责任是将EMC设计方法写成文件,以保证所有的工程计划包括适当的EMC评审任务和重大事件,并为其它机构提供EMC培训.本文还给出了显示计划外EMC设计成本和进度拖延大大减少的成本度量.给出了EMC设计程序实施一年前和一年后的比较数据.
2 产品研制程序为便于理解本文提出的EMC设计程序,我们必须首先研究一下通常对典型新产品研制程序的理解.经高度提练、典型的研制程序有图1所示的4个主要阶段.无可否认,图1是过于简化的产品研制图,但这个简图给了我们一种能与个人经验联系起来的公用的设计程序语言.简化的设计程序的4个阶段是产品技术说明阶段,系统结构阶段,实际设计阶段,产品质量鉴定阶段.
图1样品研制程序一个好的研制工程总是从技术说明阶段开始的.技术说明阶段的目的是定义要设计的产品的要求.
要求的说明应与工程,销售和生产人员共同编写.此时,应明确EMC管理机构的要求.对于在欧洲销售的工业产品、设计小组应明确适用于5种EMC形式的专用IEC标准和欧洲市场标准.
技术说明文件的EMC部分如下:a.产品应符合IEC对ESD的规定;b.产品应符合EN对辐射发射的规定;c.产品应符合EN对传导发射的规定;d.产品应符合IEC对辐射抗扰性的规定;e.产品应符合IEC和IEC对传导抗扰性的规定.这种以字母组合形成指定标准来明确EMC要求是技术说明程序中必要的第一步.但是,仅这一步还不足以确保符合性.为了让设计小组从列出的字母和数字导出某个值,他们必须了解每个参考标准的表示法.为了设计出满足EMC要求的产品、设计小组必须理解每个适用标准的试验过程,试验装置,严重失效等级,通过失败标准.后面将讨论如何让设计小组达到所要求的对标准的理解程度.样品研制过程的下一个阶段是系统结构设计阶段.在这个阶段,要研究和分析各种系统结构,看哪一种最符合产品要求.一般在工程的EMC设计中很少或没有在这方面做工作.但是正如将要看到的,在系统结构设计阶段,有很多机会能更好地保证EMC要求.
在实际设计阶段,将前面选择的系统结构精心制作成详细的图表,印制电路板设计图,布线图,机械组装图.在实际设计阶段,一些工程小组会要求内部EMC专家参与设计评审.EMC专家提出的建议会很有用,但是通常在实现这一点上花费的时间比结构阶段多.实际设计阶段以准备质量鉴定试验的样机结束.最后,产品进入质量鉴定阶段,这要进行EMC测试.一般,产品不会在第一次或第二次尝试中通过所有EMC测试,可能要求作多次反复返工和重新测试.但是一项规划得很好,管理得很好的工程也常会在EMC测试中脱离原定进程.
3 所建议的EMC设计程序可将所建议的EMC设计方法纳入产品研制程序的4个阶段中.所建议的EMC设计程序与样机设计程序的不同之处仅在于,设计小组必须在工程的每个阶段得出某些结果.这些结果要求设计小组把EMC当作与其它要求一样的设计要求,明确风险,提出解决方案,分析这些解决方案的可用性.若在工程的正常程序中无法得出结果,应向设计小组和管理人员指出该项工程有EMC失败的风险.图2 从所建议的EMC设计方法得出结果的产品研制程序从图2中要以看出样机设计过程的4个阶段及所要求的EMC结果.在技术说明阶段,设计小组必须给出一份完整的适用于产品所有EMC规范要求的表格.它应包括公司的要求以及顾客特殊的或有专利权的符合性要求.在系统结构设计阶段,设计小组必须给出EMC方案,EMC方案包括EMC测试设计,初步的EMI抑制设计方案以及风险分析.在实际设计阶段,给出EMC设计评审概要、以确认EMC方案已经得到实现.EMC测试计划和风险分析文件可在此时进行修改.最后,在完成产品质量鉴定阶段后,要给出事后分析报告,使设计小组和机构中的其它部门能吸取他们的成功与失败.现在详细讨论EMC程序的各种结果.
3.1 EMC要求说明要求说明的目的是详细说明EMC的要求.应该收集足够的详细资料,以使设计小组确切知道每个测试的通过失败标准是什么,以及每个敏感度测试要求什么样的严重失效等级.若没有清楚详细的EMC机构要求说明,设计小组就不能获得有效的EMC策略.大多数EMC标准有多个严重失效等级或不同的性能级别.例如,大多数管理机构有2个辐射发射要求等级;A级用于工业产品、B级用于其它产品.用电压电平,空气放电或接触放电和人体模型来规定抗ESD性.对某类产品有道理的通过失败标准可能对其它产品就不太适用.例如,一些嵌入式控制产品在出现ESD事件后进行软复位是可接受的,但复位不适用于医疗设备.
即使明确了适用的标准,新产品所要求的符合度并不总是很清楚.通常是销售和商业目标而不是工程目标对驱使符合性技术规范做出决定.设计小组必须对新产品的EMC要求有更多的了解,而不能只知道标准的文件号和标题.为作出足够详细的EMC技术说明,要求对标准有详细的解释,对产品的最终使用模式能很好地理解.没有详细的技术规范、设计小组就不能在系统结构阶段获得合适的EMC方案.必须象对待其它功能要求一样对待EMC要求.如果性能期望值定义得不合适,就无法正确设计产品.
用核查清单的方法可简化建立EMC详细要求的过程.虽然最初生成耗费了时间,但设计良好的核查清单会有助于设计小组选择适当的符合度.一份好的核查清单将分成5个部分:每一EMC形式对应于一部分.每部分都有一系列问题和答案,由此来选择考虑适用于产品的严重失效等级或性能级别.可使核查清单满足新产品设计小组在单位中常用的标准和要求.
3.2 EMC方案评审EMC设计程序最重要的部分是EMC方案评审.评审的目的是制定一个初步的EMC设计方案和测试策略,以使产品能满足EMC要求说明中规定的要求.在理想情况下,EMC方案评审在完成初步设计之后和开始实际设计之前的系统结构阶段后期进行、也可以在实际设计阶段前期进行成功的方案评审;但是重要的是设计小组应在完成详细的实际设计前进行EMC方案评审.否则,设计小组会浪费宝贵的设计时间来生成详细的印制电路板布线图或不满足产品EMC要求的附件.前面准备好的EMC要求说明或要求说明核查清单,是EMC方案评审所需的主要资料.其它资料包括初步设计示意图,方框图,定时分析和任何其它可能受EMC设计策略影响的设计文件.EMC
方案评审的结果包括:a. EMC测试计划分析;b. 电源,接地和关键信号板布置图;c. 初步EMC设计方案;d. EMC风险分析;e. EMC方案评审概要.下面详细说明以上各项.
3.2.1 EMC测试计划分析测试计划分析的目的是确保设计小组能理解每个EMC测试的复杂之处.分析的目标是让设计小组了解每个测试的电路图级装置.测试计划分析应包括下列细节:a.ESD放电位置的确定;b.待试设备的工作模式和结构;c.接地平面的位置和待试设备相对于地平面的放置;d.外围设备如何连接以及电缆如何布线;e.可显示在进行每项EMC测试时,EMI缝隙电流的流动路径的示意图和方框图;
f.每项测试的设备要求,包括EMI发生器,接收机以及与待试设备连接的外围设备.
不了解终端用户如何使用产品、就不可能设计出满足终端用户要求的产品.同样,不理解合格工程师如何进行EMC测试,也很难将EMC解决方案设计到产品中.
3.2.2 电源,接地和信号板布置图EMC设计方案最重要的部分是电源,接地和信号板布置图.这个文件要明确所有关键的模拟信号和高速信号的路径及其处理方法.下面列出了板布置图中涉及的设计问题实例:a.应明确所有关键信号,包括高速线和低电平模拟线.根据关键信号是否易受EMI影响或是否是可能的辐射源对关键信号进行分类.b.应对印制电路板和电缆上所有关键信号的返回路径进行有EMC价值的定义和分析.
c.应设计好印制电路板的电源板和接地板.将板上电路分解成功能块,并设计每个功能块的电源和接地路由,以确保最小的接地和公共阻抗.d.应确定印制电路板层的堆垒数量.如果使用分开的模拟和数字接地面板,应如何进行连接e.EMI和电缆屏蔽如何接地f.印制电路板的印制线或电缆需要特别滤波吗板布置是设计小组为保证有良好的实际设计而作的计划,因此设计小组在开始实际设计前完成板布置图是很重要的.进行板布置需要有EMC设计过程中各部分最专业的技术知识.为了作出好的板布置图,设计小组必须在布置中吸取所有EMC经验.如果设计小组缺乏适当的EMC专业知识,EMC权威和顾问应成为方案评审小组的成员.
3.2.3 EMC设计方案在完成理解了所有EMC测试如何进行、并作出了令人满意的板布置图后,设计小组就可以设计EMC解决方案了.其方案可以包括屏蔽层,专用电缆路线选择,详细的PCB路由选择,受控阻抗的路由选择,瞬态波动保护和滤波器的形式.设计小组应使用以前所作的测试计划分析,并注意到最易受EMI缝隙源瞬变影响的电路和最可能引起过量辐射的电线和印制线.
3.2.4 EMC风险分析风险分析的目的是确定和量化方案评审中暴露的EMC风险.阅读风险分析的人是工程小组领导,管理人员,也可能是用户.有几种风险评定技术适用于EMC设计程序.图3显示了EMC风险分析的一部分.在这个分析
中、根据可能性和严重程序列出了潜在的问题,并进行了归类.对于一个给定的问题,总的风险得分是严重程度得分乘以可能性得分的总和.任何能导致设计项目成本改变,日程拖延,设备成本增加或产品功能性降低的问题都应纳入风险分析.设计小组和管理人员应利用风险分析来控制工程的期望值.例如,抑制EMI问题可能需要增加设备成本;设计小组可能会发现,为要满足EMC标准需要一套新的测试设备.这种风险表格可用于通过管理人员或用户需要更多的资金,设备成本会改变,或者除非改变产品要求规格,否则产品通不过EMC测试.确定了项目这个阶段的风险,设计小组,管理人员和用户可以调整进度表和成本规划.风险分析降低了预料外的问题的可能性.它还使设计小组能在设计阶段而不是产品鉴定阶段明确解决方案.风险说明LSCU风险为高速电路和ASIC的正确走线可能需要8层PCB为了减少环路面积必须有更多的接地线塑料机壳不传导辐射发射我们需要购买新的触头以进行接触放电测试L=出现概率S=对进度的影响C=对计划成本的影响U=对设备成本的影响风险=L(SCU)0=没有影响或可能性1=影响小2=影响中等3=影响大图3 EMC风险分析实例
3.2.5 EMC方案评审概要最后,设计小组应以概要文件的形式将EMC方案评审记录成文.方案评审概要应简要记录评审过程中所作的所有相关决定和讨论、还应包括评审中确定的行动项目列表.EMC方案评审文件可采用本单位质量体系的设计评审结构(如ISO
3.3 EMC设计评审EMC设计评审的目的是验证前面产生的EMC方案的各个部分已在实际设计中得到了正确实施.EMC设计评审的所需的东西包括所有实际设计图,说明,实物模型和样机以及EMC方案评审得出的所有结果.EMC设计评审的结果包括修改过的实际设计,修改过的风险分析和EMC设计评审概要.EMC设计评审概要应总结出评审中所作的所有相关决定和讨论.评审概要还应包括行动项目及其实施人表格.和EMC方案评审一样,EMC设计评审应以本单位质量体系的设计评审结构成文.
3.4 EMC事后分析EMC事后分析的目的了解已完成项目的成功经验和失败教训.EMC事后分析是将工程中出现的任何有意义的挑战,问题或创新记录成文的一个机会.计划小组通过在事后分析中将项目的成功和失败之处记录成文,帮助单位上的其它设计小组以新的设计实现EMC.
EMC事后分析资料成文的结构和在指定单位发布的机制取决于单位所在地的通信系统类型.在作者所在单位、有EMC设计内容的所有项目必须产生一个书面的事后分析,整个单位可在企业内部互联网的EMC专用网站上看到它.有些项目比其它项目提供了更多的学习机会,每年应选择2-4个项目进行EMC事后分析介绍.
这种介绍是向单位中的所有人开放的2小时会议.会议前半部分是设计小组介绍工程中的EMC成功,失败和创新,后半部分是对EMC产品研制方法的公开讨论、给参与者一个机会交换有关如何改进EMC程序的想法.
4 EMC程序的所有权EMC设计程序的所有权有2个级别;整个机构级和项目级.在机构级,管理人员负责设置期望值,并保证有合适的工具和培训.在项目级,项目领导在负责EMC设计的工程师的协助下必须保证让设计小组使用他们能得到的程序,工具和专家.
4.1 机构级EMC所有权程序改进的成功要求有管理人员的支持.这意味着、管理人员不能再认为过去项目的EMC故障是正常的.必须把EMI现象看作是物理现象,而不是巫术.如果该机权内部没有EMI抑制专门技术,必须通过培训发展这项技术.管理人员还必须负责实施和维护与本文所述类似的EMC设计程序.这个程序必须成为所有项目的组成部分.必须量化每个项目的成功与失败之处,并传给机构中其它的部门.这样,机构的EMC总体知识就会不断扩展.在作者所在机构,EMC设计程序归EMC指导委员会所有、并由她来维护.委员会的职责就是保持该程序常新,并确保所有项目分享该程序.指导委员会对管理人员提供全力支持(即她拥有与其职责相当的权力).
EMC指导委员会:EMC指导委员会是一个功能交叉的小组,负责教育与培训、程序维护和EMC项目进展跟踪,其主要由模拟与射频设计学科的设计工程师组成.另外,该委员会还包括一名数字设计工程师,一名机械设计工程师,一名印制电路板设计人员和一个观念:EMC是通过设计和分析实现的,而不是通过反复试验和返工.委员会应定期开会,以确保所有产品研制计划以适时的方式遵循EMC程序.他们跟踪程序重大事件的完成情况和EMC风险.委员会还要确保高风险计划能受到管理人员的适度注意.
另外,委员会还负责安排内部EMC培训和事后分析介绍会.培训和事后分析介绍会是提高产品研制机构的整体EMC熟练程序的主要方法.
4.2 项目级EMC所有权在项目级,一个项目小组成员应负责保证让该项目采用EMC设计程序.这个小组成员或EMC顾问应是与项目领导或经理工作联系很紧宓的副技术主管.他们应对EMC设计程序有熟悉的了解,并有足够的经验发现可能的EMC风险,因此可在引起进度拖延和成本超支之前解决这些风险.
EMC顾问不必是EMC抑制设计专家,但是他们应有权力吸取专家和顾问的经验、这也是产生EMC设计程序要求的所有技术结果所需的.
5 EMC改进的度量为了验证EMC设计程序的有效性,在程序实施后对作者所在机构(一个合同设计服务公司)的工程管理人员进行调查,并问了他们几个问题:a. 您的新产品研制项目遇到过未预料到的EMC问题b. 未预料的问题研制项目引起了计划外成本或进度拖延吗如果有、量化这个成本和拖延.
这些问题在该程序启用前的1995年和启用2年后的1998年问过项目管理人员.EMC设计程序实施于1996年.全部工程可全部工程劳动用时间百分比值百分比图4 未预料到的EMC设计总成本(工程工作人员的时间和劳动力价值的百分比)为了对1995年和1998年进行有意义的比较、将图4显示的测量值以每年可用的总工作时间和工程师劳动力总价值的百分比形式进行计算.在1995年,设计工程人员花费了3%的总工作时间在计划外EMC设计和测试上.同样地,未预料到的EMC问题花费的合同服务公司或其用户的成本约为1995年劳动工资的3.1998年,设计工程人员记录的产品研制时间的百分比降到总时间的0.7.
未预料到EMC问题花费的公司和用户的成本也降到公司年工资的0.7.图5显示了因未预料到的问题损失的总进度(周数).这些都是绝对损失的周数.你可能预计在1998年损失的周数更多,因为、因机构扩大,工程人员增多到近2倍、1998年进行的新产品研制也为原来的2倍.但是,因1998年使用了有效的EMC设计程序,故损失的周数减少了.所损失的总进度周数图5 计划的EMC设计问题损失的总周数
6 结束语设计满足EMC要求的电子产品是一项具有挑战性的工作.在质量鉴定阶段出现EMC故障的代价会很高.采用一种可靠的设计方法,设计小组可以象对待其它功能要求一样对待EMC.可在对EMC测试要求进行了充分了解和分析了系统装置平面图的基础上,将EMC解决方案设计到产品中.
管理人员和产品研制小组必须采纳EMC设计程序.EMC设计程序的结果引导设计小组设计出能减少昂贵测试和反复返工的必要方案.本文给出的EMC程序已在作者机构于1996年投入使用.该程序提高了产品研制程序的可预测性.使用EMC设计程序,产品研制小组有更大的可能按期完成产品研制.因未预到的EMC问题引起的成本超支降到EMC设计程序使用前的25.

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