系统的EMC工程和管理方法的最佳方式是实现遵从性。
A.S. De啤酒,博士
Lonehill Ruphus技术(企业)有限公司,南非
文摘
本文主要关注的必要性后,系统工程方法在军事和航空航天系统的设计和测试,必须符合严格的EMC标准。指出规范过程中遇到的常见缺陷,设计和资格(或测试)阶段。权衡在规范所示为项目的成功是至关重要的。板级设计、过滤器和保护、布线、筛选、接地和分区EMC工程的各个方面。一个兼容的设计必须考虑所有这些因素。经常被忽视的一些关键因素。在这个过程中资格测试的最后阶段。不仅是产品或系统设计很重要,但是测试方法本身可以区别对待失败和遵从性。
介绍
电磁兼容的目标是每一个军事信息和通信系统开发项目的一部分。它规定的硬件(甚至软件)能够工作在一个电气和电磁环境。如果一个设备可以在一个目的电气和电磁环境,它是兼容的。
如果一个单位能够操作而接受电子/从其他系统电磁干扰,噪声是有弹性的(因此遵守易感性的需求)。如果单位不产生噪音也有助于电力环境和允许周边设备操作,它称为符合排放要求。
如果一个系统没有电磁兼容,其后果可能是灾难性的。谢菲尔德号被击沉阿根廷在马岛战争的Excocet导弹,因为船上的雷达和通信系统是不兼容的。21人丧生,另有24人受伤。大量的黑鹰直升机失去(以及一些生活)因为飞机的液压控制无法在高射频环境功能,如通常遇到接近雷达发射机。
确保设备运行可靠地在所有电磁和电情况下,一组严格的电磁兼容要求必须遵守。就像每个开发人员需要表明,一个系统可以运行在一个温度范围内,振动、机械冲击,甚至化学环境,所以一个信息和通信系统必须为EMC测试(或资格)。
EMC测试分为5大类:
- 进行排放(CE)是指通过电缆从噪声产生和耦合系统。电源(尤其是switchmode)贡献很多电噪音,和CE要求往往专注于电线。
- 进行了磁化率(CS)指标的弹性系统传导干扰。例如,常见的干扰在电线是一个大问题。
- 辐射排放(重新)测试指定的允许排放系统。特别关注的是数字电子和信息
系统产生的噪声会干扰敏感的传感器或通讯接收器。 - 辐射敏感性(RS)的射频场强测试指定水平应当免疫系统——特别是重要操作时接近强大的发射器或当受静电放电(ESD)。
- 电源接口不是技术上电磁问题,但一组特殊的要求,进行专门处理配电和用法。他们重叠CE和CS规范,可以大致归类为电磁兼容的要求。
军事电磁兼容规范在mil - std - 461 c / D / E1是严格的和满足的一个挑战。Th文章指出“七宗罪”或陷阱可以破坏的系统规划和管理保证EMC合规在完成系统。
陷阱1:失败为EMC工程计划
第一个陷阱是EMC工程计划。除了在最复杂的单位,EMC遵从性是一个必须解决的基本设计目标从一开始的设计项目。
工程师和技术经理之间的一般趋势和事后处理EMC。Th是战略通常会导致产品,必须改造,甚至重新设计,以满足电磁兼容的要求。Th实践可以极其昂贵的早些时候在设计过程中要求可以满足,更成本有效的解决方案。
这个问题可能在EMC的计划。答案是简单的那一刻就因此交付要求。陷阱是假定EMC将正常的设计过程的副产品。这样的一个假设,这种情况很少见。如果没有明确计划,EMI问题会变得明显在设计后期,甚至在资格,周期。
什么比例的成本必须致力于电磁兼容的非经常开支或典型的开发成本?威廉姆斯(2001)2图是典型的公司不是用来处理EMC或EMC工程开发的实例是独一无二的。对一个公司有根深蒂固的EMC文化EMC是通常的开发和质量周期的一部分,Greb (2003)3建议图3 - 5%。这估计是大大高于通常设想的计划阶段,通常可以相同的数量级与原始项目管理成本。
EMC遵循相同的规划大纲开发过程的规范,设计和资格。此概念如图1所示。这里,第一个陷阱是低估了成本和努力和随后未能完成计划开发周期。第二个陷阱涉及规范流程。
陷阱2:选择错误的规范或未能理解的影响
具有讽刺意味的是,在这个过程中定义(指定),设计,EMC和资格,第一或规范部分涉及最少的努力,但最大的潜力增加项目成本和复杂性。
一旦接受了系统规范,EMC的需求通常是“一成不变”和不容易改变。晚些时候在开发过程中,承包商可能会意识到的需求,事实上,不适合的产品(未指定正确)或需求的严重程度被低估了。固定和规范发展后合同被授予,承包商将负担任何over-specification或计划外难以满足要求。
说,例如,计算机在一个飞机的排放量必须限制,这样通信接收机可以接近它。如果使用mil - std - 461 c, RE02要求将指定。RE02限制狭窄和宽带排放单位(在这种情况下计算机)14千赫至10 GHz。此外,从第2部分RE02应该使用飞机。然而,有不同的限制RE02窄带排放取决于是飞机的“军队”或“空军”使用。提到这种级别的细节看似语义,但两个极限相差10 dB。越严格的两个(“空军”)是足够的数字设备难以满足。如果由于某种原因指定“军队”是没有必要的,大量的精力,时间,金钱会参与增加已经“强硬”通过10 dB排放性能。记住,参与理解和验证的工作量要求细节是大大低于实际的工作会议。
一个好的策略在接收电磁兼容要求是要求和分析系统权威的意图。为什么这些需求规定?他们是合适的吗?他们如何融入更大的EMC计划吗?会发生什么,如果他们无法满足吗?当需求是难以满足指定与否,它是更容易在谈判之前开发规范完成,比构建硬件后未能履行一定的规范!
可以设置一个EMC委员会来讨论特定的需求和调整规范。尽管mil - std - 461国家所需的最低要求,通常无干扰操作,它还指出,这些可以定制。吵架可以,例如,不会有需要2兆赫30 mhz RE-02排放要求如果有永远不会成为一个高频无线电接收机在靠近易受影响的系统。裁剪规格可以减少过度EMC工程的必要性,但只能有足够的知识来做标准的要求和系统的环境操作。因此,了解相关标准的关键。
一旦需求已经完成,可以开始硬件开发。EMC控制计划法术输出所需的开发过程来满足需求。确切的规格和设计的影响应该控制计划的一部分。
陷阱三:没有控制计划
控制计划是用于验证EMC工程的各个方面都是在开发过程中实现的。没有控制计划的某些方面EMC工程可能会忽视。陷阱3是缺乏这样一个控制计划。
控制计划始于需求和地址的所有方面设计和项目规划以及总体测试策略。机械设计、材料和金属使用,光阑,涂料应考虑。分区、接口、保护、过滤也应该在短的任何因素都将对EMC产生影响。
好的设计师可以直观地遵循规则和策略达到EMC和可能认为控制计划增加了不必要的文书工作。与项目规划和规范、控制计划是一个清单,保证没有通过裂缝。一个很好的类比是一桶泄漏。如果把99%的泄漏,斗仍然泄漏。控制计划有确保100%的“洞”。
陷阱4:未能涵盖所有设计领域
在电磁兼容设计中,许多应用领域必须覆盖。未能参加都是陷阱4。其中的一些应用领域是如图2所示。这些领域包括:
PCB设计
PCB设计是最灵活和成本效益的方式控制EMI。额外的时间花在以下良好的PCB布局原则可以减少设计迭代之后。将PCB领域划分为噪声和敏感,使用飞机,避免噪声跟踪在董事会边缘,I / O控制区域,使用多层嵌入的踪迹,并遵循相声规则所有援助在减排和淬火电路。
布局的影响的一个例子可以看到,如图3所示。它显示了“之前”和“之后”辐射发射扫描(mil - std - 461 d: RE102)的多功能显示。第二次扫描了布局变更实施后过滤器和多氯联苯。电路是相同的。虽然还没有完全兼容,达到提高约20分贝。如果设计师之后第二次迭代中实现的布局原则,时间,精力,和成本的一个完整的迭代可以得到预防。
过滤器和保护
添加过滤器和保护电路,通常不是功能设计的一部分。过滤器防止噪声进入安静的区域,或退出吵的。保护电路防止峰值,静电放电(ESD),闪电,过电压和电流。如果不控制了整个系统开发EMC,单个厂商的不会自动添加过滤器和保护,因为他们没有知识的系统范围的问题。如果这些需求不预先指定,可以实质性改造的成本。
电缆
电缆是另一个问题,必须在系统层面的处理方式。精心计划的项目,控制计划将包括电缆分类方案。Th步骤确保子系统开发人员将遵循统一的策略对布线和接地类型。电缆使用的类型(扭曲、同轴、筛选或未屏蔽的),以及屏幕必须接地,应控制计划的一部分。
电缆的数量与过滤筛选是一种交换的I / O入口点和出口点。黑盒一号二号将不可避免的被连接到黑盒,但不同的制造商不会自动知道滤波应用于另一方的数量甚至电缆发射或敏感性的表现。滤波器阻抗相关长度的电缆与电缆,应该设计使用。指定过滤和布线系统水平是至关重要的。
筛选
筛选(或屏蔽)通常被认为是一个产品在一个金属盒的封闭。它有时也被认为是唯一的方式处理EMI。有一种误解,所有的EMC问题将会解决,一旦产品覆盖着类似“法拉第笼。“这个简单的概念不能进一步从真相。
几乎所有的“黑匣子”将会显示光阑,旋钮,电缆条目,等等。这些开口的大小是更重要的比类型或使用的金属厚度。孔径大小必须控制避免呈现一个屏蔽室一文不值。
几乎所有子系统附件由电缆渗透。如果没有信号I / O,电缆至少必须进入”框。“目前电子导体是美联储通过封闭边界,它将像一个天线。电线将噪声从嘈杂的安静区域,必须过滤入口点。唯一的例外是完全屏蔽电缆twin-ax或tri-ax等。
有线电视屏幕扩展附件和防止电线(像天线)发射或接收射频噪声。检查电缆时过滤成了关键的高带宽信号是不切实际的。因为有线电视屏幕作为一个扩展的屏蔽外壳,辫子应该不惜一切代价避免。辫子是电缆的主要原因之一盾牌不能有效地工作。
再一次,筛选获得EMC至关重要。光阑必须是有限的,每一个电缆入口或出口点过滤。如果只有一个导体不过滤(或完全屏蔽),或者只是一个孔径太大,EMC可能导致失败。
接地
接地拓扑一样PCB布局的基础过滤器、电缆的选择、筛选。频率影响接地。接地拓扑通常分为低或高频率。尽管高和低频率拓扑应用程序依赖,低于几百赫兹的低频接地技术应该实现。以上几兆赫,信号和噪声的理由通常是处理高频现象。高、低频率和系统之间的转换区域包含低和高频率的混合物为由要求独特的管理策略。
对于低频接地应遵循星型拓扑,和地面循环应该取消。在更高频率(RF)寄生电容占主导地位,因此接地阻抗变得非常关键和多点地面或地面飞机是最有效的。一个有用的工具来控制接地是地面的地图。避免地面循环、隔离电路,高频噪音,创造低阻抗路径应该在系统层面解决。地面保持信号和噪声地图是有用的。应该控制计划的一部分,应该把所有子系统都是引用的策略和停飞。
软件
有两个方面的软件,可以影响系统的EMC。一个是发射,另一种是敏感性有关。数字系统可以发出射频噪声GHz地区。处理器执行快速重复例程会引起不必要的干扰模式。软件设计师应该意识到这些问题,应与EMC机关合作,减少潜在的风险。在极端的射频环境中,数据行可以切换,可以引入软件中的错误执行。再次,软件设计师应该意识到这个潜在的问题和应该使用防御性编程技术,如令牌环传球和校验和。检查范围和软件模拟输入的过滤也应该被考虑。甚至软件,它可能看起来无关的电气噪声,需要考虑设计领域影响EMC性能。
分区
最后一个区域可以影响合规是分区(或分区),或缺乏。这与其说是一个设计领域的设计理念,有助于“分而治之”潜在的电磁兼容问题。整个分区策略应该控制计划的一部分。分区需要系统的部门到嘈杂的和安静的地区。它可以实现在一艘航空母舰的规模或PCB水平。分区系统使内部噪声嘈杂的地区和防止干扰进入安静的地区。
黄金规则保护区域边界(如果辐射是一个问题),过滤所有电缆连接在两个区域,有效地防止辐射和噪声进行跨越边界。分区最好的规划阶段完成设计和变得越来越难。随着开发过程的进行。没有它,控制嘈杂的“罪魁祸首”和他们的“受害者”很容易丢失。
问题5:没有说测试
一个子系统或组件的EMC性能有时很难预测分析。Th困难是因为寄生元件(或“看不见的示意图”),随几何、温度、组件公差和材料等级。测量子系统和组件的性能,说测试应该执行。图1显示了设计和建造阶段是迭代。EMC性能可以纠正之前只有测试设计完成。不是测试或测试彻底在这个阶段是陷阱是5号。
说或工程性能测试不同于完整合规,他们简单地验证设计技术或应用程序。他们不需要完全文档化,将表明,一定程度的信心在进入完整的资格测试。一次完整的系统进入资格,故障诊断子系统或组件级别可以成为不切实际的和/或昂贵。每个子系统或组件的合规并不一定保证完整的系统会通过所有的EMC资格测试,但它确实是一个必要的一步最终遵从性。
测试
完整的资格或遵从性测试的最后一个发展阶段。一旦进入这个阶段,改变设计变得日益困难和昂贵。不仅是设计迭代贵,但是EMC合规测试本身是昂贵的。有两个缺陷,以避免在测试EMC合规。与管理的整个过程,首先是没有计划,第二个是没有花足够的精力在测试设置。
问题6:没有测试计划
一个测试计划的测试执行(从需求列表中);州设置和设备使用、操作的模式,在测试期间和失败的标准。任何特殊事项或偏差也应得到解决。未能有一个测试计划是6号的陷阱。
EMC测试可分为两组。第一个处理排放的系统或得过(被测试设备)认定,经历所有的操作模式,同时排放测量。测量的进展是用来描述得噪音对环境的贡献。敏感性测试期间,一个干扰信号应用于得,和它的响应(或免疫)信号测量。在磁化率测试,失效标准是用于确定当系统失败或当干扰信号造成操作正常操作范围外。所有这些步骤和相关标准必须包含在测试计划中。
开发测试计划时,承包商、开发人员,和测试室必须理解和促进计划。测试的房子只有科技提供的信息和很少或没有的知识产品。如果开发人员不指定输出应该在测试期间监测,它不会发生。没有一个测试计划,测试条件的控制,以及测试可以是不可靠的,不可重复的。重复EMC资格测试仅仅因为他们没有控制在可以避免第一次通过适当的规划,正是在测试计划中进行文档化。
问题7:糟糕的测试设置
在EMC测试设置资格实现成功的遵从性是一个关键因素。产品已经从EMC的角度设计不良不会通过,因为一个好的测试设置,但一个设计良好的系统可以失败是因为糟糕的测试设置。不参加适当的测试设置陷阱数字7。
设置测试期间可以说是一样涉及的EMC设计单位本身。同样的规则适用。EMC测试室和外部世界之间的墙是一个区域边界和连接不能通过墙上没有隔离,过滤、筛选。电缆连接亚基在室应该相同类型的接口中指定的要求。他们是最好的筛选,但最后的安装需要无屏蔽的导线的这种情况下,测试应该反射等这个要求。可能需要特殊的接口设备来刺激输入。腔内的测试设备使用应筛选,以便不添加不必要的排放。
敏感性测试可以作为测试设备特别是问题连接到得也容易受到干扰,但尚未硬化程度类似于产品本身。一旦测试设备报告失败,失败的测试团队必须决定是否在测试设备端或得本身。一个精心策划的设置可以消除很多的猜测。
甚至小细节的成键金属参考平面的单位(MILSTD测试设置要求)可以影响力点。例如,RE02测试期间,一个合适的焊带是用于替换的电线应该“地面”的单位结合存根。适当的焊接后的排放下降了近20分贝。RE02测试可能失败是避免不改变任何产品的设计,但通过优化测试设置。显然,规划和采取适当的EMC测试设置的时间是非常值得的努力。虽然不会让一个不一致的产品,它将确保最好的结果对系统进行测试。
未来趋势
电子系统的趋势是要跑得更快(处理器速度和逻辑家庭)和更敏感(电压水平较低)。无线通讯的使用在增加,电磁频谱是有限的可用带宽的应用程序。因此,任何“缓冲”区域之间的噪声源(罪犯)和敏感的接收器(受害者)关闭,和EMC规定和限制必然是越来越严格。
一个很好的例子,如何发现EMC要求越来越严格限制从最早发展的mil - std - 461 A当前mil - std - 461 e。电场辐射敏感性限制增加了从几V / m几百V / m。辐射排放限制与RE102也变得更严格限制在某些类别的mil - std - 461 d / E在25 dBuV / m 2至100 MHz(图4)。mil - std - 61 - c RE02认证已经很难获得。比RE02 RE102低10 dB的地方,需要更多的努力和专用的EMC工程符合这些限制。4
结论
这篇文章表明,一个系统的EMC工程和管理方法的最佳方式是实现遵从性。适当的规范,控制计划,参加所有区域的设计,和频繁,控制测试实现电磁兼容的成功是不可或缺的。
以来遵守军事电磁兼容规范是昂贵的,需要很多的努力,有些人可能会质疑它的价值。显然,其最终的价值不能被夸大。没有EMC测试,军事系统可能招致失败导致生命损失。同样,当开发人员遵循策略和避免陷阱概述在这篇文章中,该产品变得更可靠和更少的回调,增加客户满意度。
引用
1。mil - std - 461 - c / D / E:要求电磁干扰的控制排放和易感性。美国国防部。
2。威廉姆斯,t . EMC产品设计师。第三版。北京:Newnes》2001。
3所示。Greb,诉私人讨论。生EMC完整性Inc .,科罗拉多。2003。
4所示。Joubert, h .私人讨论。干扰检测与咨询公司(ITC)服务。比勒陀利亚,南非。2003。