基于仿真方法的EMC风险要素分析

EMC Risk Assessment

编者按：电磁兼容(EMC) 性能是所有电子电气产品所必须满足的一项技术指标，EMC测试标准为评价产品EMC性能提供了明确的指标数据和方法依据。但EMC测试作为一种黑盒的评价方法，显然有其局限性。EMC风险评估技术是建立在 EMC 设计方法的基础上，可以帮助改善现行EMC评估方法的局限性，以确保产品质量、降低设计和生产成本。目前，EMC风险评估技术基本技术架构已形成，但还需继续深化、广泛应用并验证。此专栏旨在更好地宣贯已经发布的EMC风险评估标准，广泛开展标准所涉及的技术研究、验证，扩大EMC风险评估技术与标准的应用范围。

基于仿真方法的EMC风险要素分析

Analysis of EMC Risk Factors Based on Simulation Method

¹上海电器科学研究所(集团) 有限公司 ²上海电器设备检测所有限公司

熊蒙' 刘婵' 叶琼瑜'

摘 要：详细介绍了电磁兼容风险要素，并以电器产品系统级的线束间串扰风险要素为研究对象，仿真分析了发射电缆注入单源干扰时，电缆间距、离地高度、电缆类型对接收电缆上串扰耦合的影响。仿真与理论结果相符，为电气产品系统级的电缆线束间电磁兼容风险评估值赋值，提供了有效的数据支撑，可缩短研发周期，降低产品研发成本。

关键词：电磁兼容；风险评估；线间串扰

引用格式：熊蒙，刘婵，叶琼瑜.基于仿真方法的EMC风险要素分析[J].安全与电磁兼容，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

0   引言

随着产品智能化、高集成度，以及无线集成等技术的发展，电磁兼容的重要性日渐凸显。在产品设计时或投产前进行电磁兼容(EMC)风险评估，及时发现电磁干扰问题，准确判断干扰源的来源，不仅能够减少商品的设计成本，还能有效地提高电器产品的电磁兼容性[1]。因此，电磁兼容风险评估在产品研发、设计阶段对于电磁兼容的考虑十分必要。

1  EMC 风险评估的概述

EMC 风险评估旨在为EMC风险应对提供基于证据的信息和分析，是基于产品的信息证据分析其潜在的EMC风险，可增进对电子电气设备或电子电气系统EMC 设计风险的理解[2-4]。设备EMC 风险分析是对设备中的每个EMC风险要素相对于理想模型的偏离度赋予风险评估值的过程。系统EMC 风险分析是对产品本身及产品间的EMC 风险要素相对于理想模型的偏离度，赋予其一定的风险评估值。

EMC风险评估的主要作用：

1) 认识产品设计中EMC风险及其对目标的潜在影响；

2) 增进EMC风险要素的理解，便于风险应对策略的正确选择；

3) 识别导致EMC风险的主要因素，以及电子电气产品 EMC 设计的薄弱环节 ；

4) 帮助确定 EMC风险是否可接受，为决

基金项目：上海市科技研发项目资助 (2021SN03)

 评价构成的一个完整过程，通常风险评估活动内嵌于风险管理过程中，与其它风险管理活动紧密融合并互相推动。图1是 EMC风险评估流程图，表达了整个风险评估过程及风险评估过程中的关键参数描述。

2  EMC 风险评估的流程

风险评估是由风险识别、风险分析和风险

3  EMC 风险要素分析

依据对象的不同，EMC 风险评估可以分为设备级、系统级和工程现场级。设备级EMC风险评估主要应用于具体的设备(如：笔记本电脑、汽车零部件等)，从设备结构和电路板面临的EMC风险进行评估；系统级EMC风险评估主要应用于由产品构成的系统(如：整车等)，对系统中产品本身及产品之间的EMC 风险进行评估；工程现场级 EMC 风险评估主要用于工程现场，对现场级复杂的应用环境、安装条件、系统之间的EMC风险进行评估。

电子电气设备的EMC 理想模型中的风险要素共19个，具体信息见表1。其中与机械架构相关的风险要素为9个，与原理图相关的风险要素为4个，与PCB 相关的风险要素为6个[5-6]。

表1  电子电气设备EMC 风险要素信息

续表1

续表1

电子电气系统的EMC理想模型中的风险要素共11个[7-8], 具体信息见表2。

表2 电子电气系统 EMC 风险要素信息

4  电缆线束间串扰仿真研究

EMC 风险评估是一个多层次的过程，从设备级到系统级，再到工程现场级。在系统级的EMC 风险要素中，线束间串扰是一个重要的部分, GB/T 38659.2-2021《电磁兼容风险评估 第2部分：电子电气系统》中详细介绍了电子电气系统的11个 EMC风险要素，如图2所示，其中4个要素与线间的串扰有关。

本文以电气产品系统级的线束间串扰风险要素为研究对象，通过一个具体的仿真案例，直观地阐述仿真为 EMC 风险要素的风险评估值提供的数据支撑。

4.1搭建电缆线束间串扰仿真模型

线束间串扰仿真模型包括两根电缆：一个用于注入干扰信号的发射电缆( 又称干扰线)，另一个用于接收辐射干扰的接收电缆(又称受扰线)。这两个电缆通过公共接地点形成闭合环路。线束间存在的串扰主要包括电缆上的分布电阻和电感、线束间的互电容和互电感，以及电缆与地之间的分布电容。影响线束间耦合的因素包括电缆间距、电缆离地高度、电缆类型等。

为了探究上述三个因素对电缆线束间串扰的影响, 首先基于CST Cable Studio 工作室构建了两平行电缆的3D模型，仿真模型如图3所示，其中参考地平面尺寸设为2m(长)×1m(宽)，材质为 PEC(聚醚型聚氨酯)，两平行电缆的

长度L均设为1m，电缆间距为d，离地高度为h(d、h均可变 )。然后在CST Cable Studio的电路图界面构建时域仿真电路图，如图4所示。将干扰线的一端设为 Portl，用于注入干扰信号，选用的干扰信号波形如图5所示。并在传输信号线、近端串扰信号线、远端串扰信号线上添加3个探针, 分别命名为OUT、NEXT、FEXT,两电缆的端接电阻均默认为 50Ω。

4.2仿真过程及结果

电缆线束间串扰模型搭建完毕后，发射电缆注入干扰类型保持为图5的单源干扰，分别对不同电缆间距、不同电缆离地高度、不同电缆类型下的近端(NEXT端) 串扰耦合电压值进行时域仿真，得到不同电缆状态下的电压变化曲线，进而分析不同电缆状态对串扰耦合的影响。

4.2.1 电缆间距的影响

保持发射电缆和接收电缆均为22AWG的单芯非屏蔽导线，电缆的离地高度h为5cm。分别设置电缆间距d为1cm、3cm、5cm, 仿真得到不同电缆间距下接收电缆近端串扰耦合电压值的变化曲线，如图6所示。

由图6可知，当电缆间距分别为1cm、3cm、5cm时，接收电缆上的串扰耦合电压逐渐减小(峰值分别为1.48 V、0.81 V、0.52 V)。由此可得出结论：随着电缆间距的逐渐增大，线束间的互电感、互电容逐渐减小，线束间的串扰耦合逐渐减弱。

4.2.2电缆离地高度的影响

保持发射电缆和接收电缆均为22AWG的单芯非屏蔽导线，电缆间距d为5cm。电缆离地高度 h分别设置1cm、3cm、5cm, 仿真不同电缆离地高度下接收电缆近端串扰耦合电压值的变化曲线，如图7所示。

由图7 可知，当电缆离地高度分别为 1 cm、3cm、5cm时，接收电缆上的串扰耦合电压逐渐增大 (峰值分别为0.05 V、0.29 V、0.51 V)。由此可得出结论：电缆越接近地面，电缆与地之间所构成的回路面积越小，线束间的串扰耦合越弱。

4.2.3 电缆类型的影响

实际的电子电气系统中使用的电缆种类众多，为了探究不同类型的线束对串扰耦合的影响，保持电缆间距d为1cm，离地高度h为5cm，发射电缆为22AWG的单芯非屏蔽导线，接收电缆选用电缆类型分别选为单线、双绞线、同轴线和屏蔽双绞线，对线束间串扰进行仿真，结果如图8所示。

由图8可知，接收电缆上串扰耦合电压的峰值排序为 :单线(1.5 V) >双绞线 ( 0.53 V)>同轴线(0.006 V) >屏蔽双绞线(0.002 V )。由此可得出结论：屏蔽层可以很好地反射或吸收电磁波，不仅可以防止外来的电磁干扰，还可以防止自身的内部信号向外辐射干扰；相对于单芯非屏蔽导线和双绞线，屏蔽线的串扰几乎可以忽略。

4.2.4 仿真结果分析

依据电缆线束间串扰仿真模型的搭建和仿真结果分析，文中关于电缆间距、电缆类型、电缆离地高度的仿真结果与理论结果相符，证明了仿真结果的准确性。因此，在实际测量不可行或条件不允许的情况下，确保仿真中电缆的材料和其它属性参数与实际产品及测试环境保持一致时，仿真方法便成为可行的替代方案，为电缆线束间的风险评估值赋值提供了有效的数据支撑。

当电缆间距增大时，其串扰效应相应减弱，风险要素的风险评估值相对减小；电缆越接近地面，线束间的串扰耦合越弱，风险要素的风险评估值越小；对于单芯非屏蔽导线和双绞线，风险要素的风险评估值可以忽略。

5   结语

本文详细介绍了 EMC 风险的关键要素，并提出了一种用于的电缆线束间串扰的仿真方法，此方法可应用于不同的产品和应用场景中，如可将电缆模型导入具体的产品模型(比如汽车、船舶等)，或将实际测得的干扰信号作为干扰源，对不同场景下的串扰信号进行仿真分析，观察某些复杂变量对电缆线束间串扰的影响，以此作为EMC 风险要素风险评估值的依据。

此外,GB/T 38659.4-2022《EMC 风险评估 第4部分：系统风险分析方法》中介绍了电缆线束间串扰的风险评估值赋值原则，本文中的仿真分析方法可作为对该风险要素评估的支撑，进一步支撑风险评估标准体系的完善和发展。

参考文献

[1] 王炳文.郑久寿，陈潇然.基于电磁兼容风险评估方法的EMC整改研究[J].安全与电磁兼容，2022(5):60-65.

[2] 郑军奇.产品设计中 EMC 风险的评估[J].低压电器,2017(14):35-37,73.

[3] 郑军奇.电子产品设计EMC 风险评估[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 郑军奇.产品EMC 风险评估技术[J].安全与电磁兼容,2019(4):9-11.51

[5] 全国无线电干扰标准化技术委员会. EMC风险评估 第2部分:电子电气系统:GB/T 38659.1-2020[S].北京:中国标准出版社,2020.

[6] 全国无线电干扰标准化技术委员会. EMC风险评估 第3部分：设备风险分析方法：GB/T 38659.3-2022[S]. 北京: 中国标准出版社,2022.

[7] 全国无线电干扰标准化技术委员会. EMC风险评估 第2部分:电子电气系统:GB/T 38659.2-2021[S].北京:中国标准出版社,2021.

[8] 全国无线电干扰标准化技术委员会. EMC风险评估 第4部分：系统风险分析方法：GB/T 38659.4-2022[S]. 北京: 中国标准出版社,2022.

编辑: 田宁 E- mail:tianning@cesi.cn

SAFETY & EMC No.5 2024