經(jīng)世致用：EMC思維探討

在大多數(shù)公司中，emc不是一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，而是依附研發(fā)，或者品質(zhì)部門(mén)。這是EMC特性所決定的。由于邊界模糊，材料，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和應(yīng)用都與之相關(guān)，有些領(lǐng)域稍稍容易量化，例如研發(fā)部門(mén)基于標(biāo)準(zhǔn)要求確定產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)指標(biāo)，品質(zhì)部門(mén)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試確認(rèn)產(chǎn)品EMC應(yīng)用特性。但是EMC分析卻很難如功能設(shè)計(jì)那樣進(jìn)行規(guī)格收斂，三要素的構(gòu)成意味著發(fā)散，因此需要不同于功能設(shè)計(jì)的思維進(jìn)行指導(dǎo)。01
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工控EMC現(xiàn)狀

工作頻率提升，產(chǎn)品小型化和系統(tǒng)集成化，EMC愈發(fā)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用中無(wú)法回避的問(wèn)題。工作頻率的提升意味信號(hào)的穿透性和敏感性；小型化意味功能隔離更難實(shí)現(xiàn)，尤其場(chǎng)耦合；集成化則帶來(lái)大規(guī)模的非線性疊加因素。前兩者老生常談，基本可以通過(guò)技術(shù)進(jìn)步覆蓋，系統(tǒng)集成化帶來(lái)的EMC問(wèn)題則是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化下放帶來(lái)的副產(chǎn)品，目前還處于混沌之中。工業(yè)自動(dòng)化很早就開(kāi)始應(yīng)用，初期主要是一些實(shí)力相對(duì)出眾，有EMC相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的公司引領(lǐng)和掌控，設(shè)備制造商對(duì)應(yīng)用有一定話語(yǔ)權(quán)。隨著自動(dòng)化在所有領(lǐng)域廣泛應(yīng)用帶來(lái)的充分競(jìng)爭(zhēng)，話語(yǔ)權(quán)向系統(tǒng)集成商傾斜，一些對(duì)EMC較為無(wú)感的企業(yè)，引入自動(dòng)化設(shè)備規(guī)模集成的時(shí)候往往忽視安裝現(xiàn)場(chǎng)EMC配置方面基礎(chǔ)設(shè)施的投入，以及在布置方面的考量，從而使得問(wèn)題尖銳起來(lái)。相較消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用模式比較明確和單一，EMC性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)相對(duì)清晰，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件的符合性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)行界定。基于同樣的原因，這些領(lǐng)域的EMC仿真應(yīng)用較為成熟。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往是大規(guī)模設(shè)備根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行集成，這些設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室中只能針對(duì)典型的單一或某些小型集成應(yīng)用進(jìn)行模擬驗(yàn)證，并不能準(zhǔn)確映射現(xiàn)場(chǎng)數(shù)百，乃至數(shù)千不同設(shè)備的大規(guī)模集成狀況。另外實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證是在標(biāo)準(zhǔn)定義的環(huán)境和電網(wǎng)，典型功能條件下進(jìn)行，實(shí)際應(yīng)用中往往取決于集成商和終端用戶的EMC素養(yǎng)。由于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室之間的環(huán)境和工況存在難以估量的差異，EMC騷擾源，傳播路徑和敏感器件三要素形成的環(huán)路和作用機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題，并指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，EMC工程師首先要從硬件性EMC思維中脫身。這種思維的優(yōu)勢(shì)是能夠讓設(shè)計(jì)工程師順帶處理部分自身所負(fù)責(zé)的功能設(shè)計(jì)內(nèi)的EMC問(wèn)題。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境和模式較為清晰的領(lǐng)域，可以有效積累和應(yīng)用。但是面對(duì)系統(tǒng)性，尤其大規(guī)模集成系統(tǒng)的EMC問(wèn)題，往往顯得力不從心。主要是思維模式本身帶來(lái)的瓶頸，正如愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)“上帝不擲骰子”，但是量子理論用“測(cè)不準(zhǔn)定理”予以回?fù)�。功能設(shè)計(jì)傾向收斂的專精方面發(fā)展，EMC分析不可或缺的是應(yīng)對(duì)多變環(huán)境的發(fā)散探索。02
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EMC思維解析
在這里根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)功能設(shè)計(jì)和EMC分析的思維差異進(jìn)行區(qū)分：功能設(shè)計(jì)的三個(gè)特點(diǎn)：差模，時(shí)域，邏輯。

1. 差模：功能設(shè)計(jì)的邊界完善，電路回環(huán)可以通過(guò)參數(shù)指標(biāo)表述。遵循相應(yīng)的規(guī)則時(shí)功能可以細(xì)化和組合，所有性能處于相應(yīng)邊界內(nèi)的設(shè)計(jì)。不論器件還是電路，功能機(jī)制，還是布線布板都有很清晰的定義。只要滿足這些設(shè)計(jì)要求，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，工程師主要是在此基礎(chǔ)上努力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更精，更好，更強(qiáng)。

2. 時(shí)域：功能設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注時(shí)域，最典型的是信號(hào)時(shí)序，即在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)信號(hào)的幅值是否滿足判定閾值要求。功能設(shè)計(jì)的驗(yàn)證主要是在通過(guò)示波器在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，首先是確保不同電路時(shí)序要求，然后在功能運(yùn)行期間電源和信號(hào)的電壓或電流幅值滿足要求。工程師在此前提下進(jìn)行挖掘，在同一時(shí)間段實(shí)現(xiàn)更多功能。

3. 邏輯：功能設(shè)計(jì)遵循清晰的邏輯，由于邊界比較固定，理想和實(shí)際的擬合有許多經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的規(guī)則可供借鑒和應(yīng)用，這些定理在功能設(shè)計(jì)所涵蓋的領(lǐng)域內(nèi)是不容置疑的。只要遵循邏輯規(guī)律演繹，就可以得到預(yù)想中的功能。設(shè)計(jì)工程師的作用是將2+2=4的邏輯細(xì)化成1+1+1+1=4，從而研發(fā)出更為靈活和實(shí)用的產(chǎn)品。EMC分析的三個(gè)特點(diǎn)：共模，頻域，概率

1. 共模：共模是比較模糊的定義，從物理學(xué)的角度而言，任何電路都遵循同樣的規(guī)律，不存在所謂共模和差模。實(shí)際功能電路都存在非設(shè)計(jì)之外的路徑，區(qū)分共模和差模是分析問(wèn)題的便宜之策，由此探討共模和差模相互轉(zhuǎn)化帶來(lái)EMC問(wèn)題。當(dāng)然有部分EMC問(wèn)題就是純粹的差模疊加問(wèn)題，個(gè)人傾向歸于功能設(shè)計(jì)范疇。

2. 頻域：由于EMC關(guān)注共模環(huán)路，設(shè)計(jì)中的差模功能電路提供了部分路徑，其它部分則是各種分有意設(shè)計(jì)帶來(lái)的寄生參數(shù)，主要是寄生電感和電容，特性都跟頻率相關(guān)。以上特性使得環(huán)路阻抗主要取決于頻率特性，一般EMC測(cè)試和分析傾向以頻率/分貝進(jìn)行量化，從而通過(guò)分析頻率響應(yīng)來(lái)界定功能電路的影響。

3. 概率：最后也是最重要的一點(diǎn)就是概率， EMC所考慮的系統(tǒng)并不僅僅包含所設(shè)計(jì)的部分，還包括其配合應(yīng)用，例如電網(wǎng)環(huán)境，甚至還有周邊毫無(wú)直接關(guān)聯(lián)的設(shè)備，這部分不在設(shè)計(jì)者掌控范圍內(nèi)。原本的邏輯分析需要拓展到概率分析的領(lǐng)域，也就是建立基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)，形成經(jīng)驗(yàn)規(guī)則來(lái)規(guī)范分析過(guò)程。03
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EMC何去何從
現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的EMC問(wèn)題大多以隨機(jī)的方式出現(xiàn)，以至于EMC分析獲得“黑魔法”的諢號(hào)。似乎每個(gè)設(shè)計(jì)人員都懂EMC，并能解決相當(dāng)一部分所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的EMC問(wèn)題，然而一旦碰到系統(tǒng)性問(wèn)題，容易出現(xiàn)束手無(wú)策的現(xiàn)象。個(gè)人認(rèn)為原因就在于不同領(lǐng)域不同思維模式差異造成的，在分工合作日趨完善的當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)人員對(duì)自家一畝三分地非常熟悉，然而對(duì)系統(tǒng)范圍的EMC機(jī)制并不是那么清楚，其往往貫穿遠(yuǎn)超個(gè)體所承擔(dān)的分工部分的整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，這種現(xiàn)象更明顯。當(dāng)前在技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有將EMC從產(chǎn)品設(shè)計(jì)獨(dú)立出來(lái)的趨勢(shì)，不過(guò)這只在某些應(yīng)用相對(duì)單一的行業(yè)，最典型的是電動(dòng)車(chē)，得益于技術(shù)發(fā)展，尤其應(yīng)用相對(duì)固定，容易將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為規(guī)則，讓分析回到邏輯范疇。但這種模式顯然在可預(yù)期的未來(lái)不可能推廣到應(yīng)用環(huán)境多變的工控領(lǐng)域，個(gè)人看來(lái)原因如下：1. 共模概念模糊，環(huán)路并不是設(shè)計(jì)出來(lái)的；2. 頻域理念雖然有所界定，但展開(kāi)是無(wú)限；3. 概率需要統(tǒng)計(jì)方法，當(dāng)前實(shí)際很難支撐。從以上結(jié)論可以看出，功能設(shè)計(jì)是腳踏實(shí)地，線性積累的模式，EMC分析則往往只能定性，難以定量，與所謂的科學(xué)方法有點(diǎn)貌合神離，這是EMC領(lǐng)域始終處于模糊地帶的根本原因。暫時(shí)無(wú)法建立系統(tǒng)化的分析方法之前，EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)工程師和EMC工程師進(jìn)行分工合作，EMC工程師是從系統(tǒng)層面進(jìn)行問(wèn)題定位，一旦進(jìn)入專有領(lǐng)域，設(shè)計(jì)工程師更擅長(zhǎng)。