许志钦 冯达 黄琳 许分明 陈羽

许志钦 ¹ 冯 达 ^{1 *} 黄 琳 ¹ 许分明 ¹ 陈 羽 ²

摘 要 本文基于电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）风险评估方法，研究其在电子电气产品的电磁兼容性测试中的应用。由于电子电气产品的多样性，其存在的电磁兼容性问题比较复杂，因此在产品设计时需要加以重视，通过产品设计可解决大多数的电磁兼容性问题。本文通过风险识别，结合测试经验和问题风险程度对各类风险要素予以赋值，得到所有的风险要素并计算出电子电气产品整机风险评估值，从而依据风险评估值评价产品的风险程度，确定风险等级。该方法对于减少研发和认证测试成本，提升企业产品质量具有积极的意义。

关键词 电磁兼容；理想模型；风险要素；风险评估

Experimental Study on Risk Assessment of Electromagnetic Compatibility of Electrical and Electronic Products

XU Zhi-Qin ¹ FENG Da ^1* HUANG Lin ¹ XU Fen-Ming ¹ CHEN Yu ²

Abstract This paper explores the application of the EMC (Electromagnetic Compatibility) risk assessment method in the testing of electrical and electronic products.Due to the diversity of these products, their electromagnetic compatibility issues are often complex, requrin gattention during product design. Effective design can address most EMC-related problems. Through the risk identification, this paper assigns values to various risk factors by taking into account testing experience and the severity of each issue. All risk factors are then synthesized to calculate an overall risk assessment value, which is used to evaluate the product’s risk level and determine its risk grade. The method is of positive significance for reducing costs in R&D and certification testing, as well as for improving the quality of enterprise products.

Keywords electromagnetic compatibility; ideal model; risk factors; risk assessment

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）风险是指电子电气产品因设计缺陷而导致出现电磁兼容问题的概率，具体到测试环境是指电磁兼容测试不符合标准或法规要求，不能通过电磁兼容检测的概率^[1]。EMC风险评估即对出现电磁兼容问题的概率进行评估，旨在为电子电气产品有效应对EMC风险提供基于物理模型的分析和建议，是基于设备的信息证据，并且与产品测试失败风险相对应。

正确使用EMC风险评估方法，可实现以较高置信度对电子电气产品EMC性能进行评价，也可以与EMC测试结果结合进行综合的EMC评价，可以帮助产品的设计者或使用者清楚地发现产品设计在EMC方面存在的优点、缺陷与风险。

成功的EMC风险评估依赖于对被评估产品设计信息和相关风险要素的充分理解，能够认识电子电气产品设计中EMC风险及其对目标的潜在影响，掌握EMC风险相关要素，以便正确选择风险应对策略。同时，能够识别导致EMC风险的主要因素，以及电子电气产品的EMC设计薄弱环节^[2]，帮助确定产品缺陷是否可接受，为决策者提供可量化的相关信息，还可以预测EMC测试的通过率。

电磁兼容风险评估的核心思想是对于确定的电子电气产品必然具有确定的EMC性能，产品中存在与EMC相关要素和与EMC不相关要素，其中与EMC相关要素可能会导致EMC测试不通过^[3]，那么只要对与EMC相关要素进行评估并且赋值，最终将所有的相关要素统计计算得到一个综合的风险量值。这种根据相关要素采用定性和定量方法得到的用来表达风险大小的量值，即为风险评估值^[4]。这里需要注意的是，与EMC相关的要素被称为风险要素，各个风险要素导致EMC测试不通过的权重有所不同，最终的风险量值可以表达风险等级的高低。

1 电子电气产品的电磁兼容性理想模型

为方便开展EMC风险评估，需要引入理想模型。通过将未通过EMC测试的产品实际设计信息与理想模型中的所有风险要素进行比较，能够较快发现产品在电磁兼容设计方面的薄弱环节，加快风险评估进度，并提高整改效率。理想模型是指对确定的电子电气产品存在一种理想的电磁兼容设计模型，这种模型规避了已知的电磁兼容设计风险，是不产生任何EMC风险的产品设计模型^[5]。但是理想模型也会受到设计原理和产品工作状态等因素的限制，一般情况下不可能完全没有风险，因此理想模型的风险要素也可能具有一定量的风险评估值。

电子电气产品机械架构的理想模型如图1所示，A是电缆连接器在PCB板中的相对位置，电缆连接器应放置PCB的同一侧；B是屏蔽电缆屏蔽层的搭接，对于金属外壳产品，电缆屏蔽层应在连接器入口处与产品的金属壳体或者金属连接器外壳相连，并做360°搭接，对于非金属外壳的产品，电缆屏蔽层应与PCB中0 V地平面做360°搭接；C是PCB外部的电源和信号输入端口的滤波和防护，对于电磁敏感度（Electromagnetic Susceptibility，EMS）来说，非屏蔽电缆应进行滤波处理，当电缆端口需要进行浪涌测试时，还需要对端口采取浪涌防护措施，对于电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）来说，存在开关电源等高速信号的端口一定要进行EMI滤波；D是PCB板的0 V工作地与金属外壳之间等电位互连，不合理的连接点位置将引入更多的共模干扰电流，但是对于非低压SELV的电路，需要通过Y电容与金属壳体连接，使用Y电容必然对风险评估量值产生不利影响；E是不同PCB板之间的0 V工作地的互连，应并联长宽比小于3的等电位金属导体连接，或者采用互连线连接；F是产品内部PCB互连信号端口的滤波、防护和信号频率，对于EMS来说，应对所有互连连接器中的信号进行滤波处理，对于EMI来说，互连信号不应该存在时钟信号或者PWM信号等高速信号；G是壳体中各个金属部件之间的搭接（考虑阻抗与缝隙处理）方式，屏蔽体各金属表面之间应有意搭接，并且屏蔽体中各个金属体在互连方向上长宽比都小于5，搭接点的间距或孔缝的最大尺寸不能超过电路最高频率波长的1%，或者不能超过15 mm，取两者中的较小值，有意搭接包括螺钉连接、焊接、铆接、卡接、采用填充性导电材料等；H是进入壳体后的电缆、连接器、PCB、PCB板的0 V工作地与金属外壳之间的互连及产品金属壳体之间所组成的回路面积^[6]；I是壳体接地线，为了让共模干扰电流就近流向接地平面，避免共模电流流过产品内部PCB的0 V工作地平面或扁平电缆等内部互连电缆，应尽可能采用短而宽的低阻抗导体连接，最大长宽比小于3。

图1 电子电气产品机械架构EMC理想模型

Fig.1 Ideal EMC model of mechanical architecture for electronic and electrical products

电子电气产品PCB的理想模型如图2所示。PCB的理想模型将PCB分为5类区域，分别用数字1—5表示。1是脏信号/电路区域；2是滤波、去耦、串扰防止区域；3是干净信号/电路区域；4是特殊信号/电路区域，包括内部噪声信号/电路区域、敏感信号/电路区域；5是地平面。

为了合理应用PCB理想模型，需要从电路原理图和PCB布局布线两部分进行深入分析。电路原理图实现电路原理部分的属性划分，可以区分脏信号和干净信号、高频信号和低频信号、接地和滤波等^[7]。PCB布局布线实现电路原理与PCB板实物结合的属性划分，可以区分噪声信号、敏感信号、串扰信号、接地等。按照图2理想模型的要求划分出1、2、3、4、5类区域。依据电路原理图划分的理想模型，脏信号与干净信号之间、特殊信号和敏感信号与干净信号之间采用了滤波、去耦、接地等处理措施，接地面积较大并且接地良好，干净信号与地平面之间跨接电容也是合理的处理措施；依据PCB布局布线划分的理想模型，PCB与接地平面阻抗最小，不同属性的信号线之间无串扰，信号层和电源层边缘包地处理，以防止降低信号线、电源线与参考接地之间的寄生电容。

2 电子电气产品的电磁兼容性风险识别和风险要素

机械架构风险识别是基于图1的机械架构理想模型，对电子电气产品进行相对应的识别而进行的。风险识别之前，生产者需要给出产品的机械架构信息，可以包含产品的具体机械架构图，配以表格来描述机械架构中产品接地情况、电缆类型及数量、壳体的材料、壳体有无缝隙等信息。具体列出信息应包括产品机械架构EMC理想模型中所包含所有风险要素，并对具体采用方式加以说明^[8]。机械架构EMC风险要素需要列出关键信息见表1。

PCB的风险识别是基于图2的PCB理想模型，对电子电气产品进行相对应的识别而进行的。PCB在进行EMC风险识别之前，产品生产者需要提供PCB的电路原理图以及PCB布局布线文件、电路中时钟种类和频率、开关频率、PCB层数及堆叠情况、模拟电路电平、数字电路电平、模拟地与数字地的隔离措施、接地的种类等相关信息^[9]。

风险评估人员首先需要对电路原理图进行属性划分，在属性划分的基础上，列出相关具体的信息，应包括PCB理想模型中所涵盖的风险要素，并对具体采用方式加以说明。PCB的EMC风险要素需要列出关键信息见表2。

3 电子电气产品的电磁兼容性风险评估案例

以电磁炉产品为例，结构如图3所示（包括机械架构图、电路板主板和电路板控制板），风险要素关键信息见表3，其中风险要素编号及风险要素内容为标准内容，对应风险要素的产品关键信息为产品录入信息。

将表3中的风险评估值代入GB/T 38659.1—2020《电磁兼容 风险评估 第1部分：电子电气设备》第12章中公式1和公式2，计算电磁炉的风险评估值：

其中，R是风险评估值；～是产品特征系数，根据产品特点调整风险系数，在本文均取值为1；是风险系数，；是风险要素的得分，即风险评估值。因此，经过计算得出电磁炉的风险评估值为38.8。

查看标准GB/T 38659.1—2020中第13章整机EMC风险等级确定与结果应用，该电磁炉属于在第二类居住场所使用，产品整机EMS和EMI风险等级均判定为W级稍有风险，可以判定为测试通过并有余量。

通过测试，验证如下：电源端口骚扰电压和30 MHz～1 GHz辐射骚扰的测试曲线如图4和图5所示。电源端口骚扰电压最小裕量为7.09 dB，30 MHz～1 GHz辐射骚扰最小裕量为8.9 dB，由此可见裕量充足，该电磁炉电磁兼容性较好，满足测试标准GB 4343.1—2018《家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求 第一部分：发射》的要求。因此，测试结论验证了风险评估的结论。

4 结论

本文介绍的电磁兼容性风险评估，是通过风险识别赋值于各类风险要素，根据风险要素计算出风险评估值，进而通过风险评估值评价产品的风险程度和确定风险等级，旨在识别、分析和评价系统或设备在电磁环境中的潜在风险。在实际应用中，需要建立不同类型产品的理想模型，评估人员通过理想模型比较容易确定被评估对象的风险评估值。

电磁兼容性风险评估对于评估电子电气产品的电磁兼容性能十分有效，通过风险评估帮助产品的设计者或使用者清楚地发现产品设计在EMC方面存在的优点、缺陷与风险，推广使用后可促使企业提升产品质量，减少研发成本和认证测试成本。

电磁兼容性风险评估是确保设备或系统在电磁环境中正常工作的重要环节。通过全面评估和有效的风险应对措施，可以显著提升产品的电磁兼容性水平，保障其可靠性和稳定性。未来，随着电子技术的不断发展和电磁环境的日益复杂，电磁兼容性风险评估将更加重要和复杂，因此需要不断创新和完善评估方法和技术手段。

参考文献

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[3] GB/T 38659.3—2022 电磁兼容 风险评估 第3部分: 设备风险分析方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2022.

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[9]于超.浅析EMC风险评估技术[J].现代建筑电气, 2023, 14(5): 57-61.

基金项目：广州海关科技项目（2022GZCK16）

作者简介：许志钦（1972—），女，福建莆田人，硕士，研究员，主要从事机电产品检测技术及标准研究，E-mail: xuzq@iqtcnet.cn

通信作者：冯达（1975—），男，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师，主要从事EMC检测技术及标准研究，E-mail: fengd@iqtcnet.cn

1. 广州海关技术中心 广州 510623

2. 佛山海关综合技术中心 佛山 528000

1. Guangzhou Customs District Technology Center, Guangzhou 510623

2. Foshan Customs Comprehensive Technical Center, Foshan 528000

(A) 俯视图

(B) 剖视图1

(C) 剖视图2

(D) 主视图

图2 电子电气产品PCB理想模型

Fig.2 Ideal PCB model for electronic and electrical products

表1 电子电气产品机械架构EMC风险要素

Table 1 EMC risk factors for mechanical architecture of electronic and electrical products

表2 电子电气产品PCB的EMC风险要素

Table 2 EMC risk factors for PCB of electronic and electrical products

表3 产品风险要素关键信息表

Table 3 Key information of product risk factors

图4 电磁炉电源端口骚扰电压

Fig.4 Disturbance voltage at AC mains port of induction cooker

图5 电磁炉30 MHz～1 GHz辐射骚扰

Fig.5 Radiated disturbance (30 MHz-1 GHz) of induction cooker