經世致用：EMC思維探討

在大多數公司中，emc不是一個獨立的功能模塊，而是依附研發(fā)，或者品質部門。這是EMC特性所決定的。由于邊界模糊，材料，設計，生產和應用都與之相關，有些領域稍稍容易量化，例如研發(fā)部門基于標準要求確定產品EMC設計指標，品質部門通過標準測試確認產品EMC應用特性。但是EMC分析卻很難如功能設計那樣進行規(guī)格收斂，三要素的構成意味著發(fā)散，因此需要不同于功能設計的思維進行指導。01
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工控EMC現狀

工作頻率提升，產品小型化和系統(tǒng)集成化，EMC愈發(fā)成為產品設計和應用中無法回避的問題。工作頻率的提升意味信號的穿透性和敏感性；小型化意味功能隔離更難實現，尤其場耦合；集成化則帶來大規(guī)模的非線性疊加因素。前兩者老生常談，基本可以通過技術進步覆蓋，系統(tǒng)集成化帶來的EMC問題則是當今工業(yè)自動化下放帶來的副產品，目前還處于混沌之中。工業(yè)自動化很早就開始應用，初期主要是一些實力相對出眾，有EMC相關經驗的公司引領和掌控，設備制造商對應用有一定話語權。隨著自動化在所有領域廣泛應用帶來的充分競爭，話語權向系統(tǒng)集成商傾斜，一些對EMC較為無感的企業(yè)，引入自動化設備規(guī)模集成的時候往往忽視安裝現場EMC配置方面基礎設施的投入，以及在布置方面的考量，從而使得問題尖銳起來。相較消費類產品應用模式比較明確和單一，EMC性能的設計目標相對清晰，可以通過實驗室條件的符合性標準測試進行界定�；�于同樣的原因，這些領域的EMC仿真應用較為成熟。工業(yè)現場往往是大規(guī)模設備根據不同應用需求進行集成，這些設備在實驗室中只能針對典型的單一或某些小型集成應用進行模擬驗證，并不能準確映射現場數百，乃至數千不同設備的大規(guī)模集成狀況。另外實驗室驗證是在標準定義的環(huán)境和電網，典型功能條件下進行，實際應用中往往取決于集成商和終端用戶的EMC素養(yǎng)。由于應用現場與實驗室之間的環(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)路和作用機制錯綜復雜。為了應對日趨復雜的現場的問題，并指導產品的設計，EMC工程師首先要從硬件性EMC思維中脫身。這種思維的優(yōu)勢是能夠讓設計工程師順帶處理部分自身所負責的功能設計內的EMC問題。在大多數應用環(huán)境和模式較為清晰的領域，可以有效積累和應用。但是面對系統(tǒng)性，尤其大規(guī)模集成系統(tǒng)的EMC問題，往往顯得力不從心。主要是思維模式本身帶來的瓶頸，正如愛因斯坦說過“上帝不擲骰子”，但是量子理論用“測不準定理”予以回擊。功能設計傾向收斂的專精方面發(fā)展，EMC分析不可或缺的是應對多變環(huán)境的發(fā)散探索。02
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EMC思維解析
在這里根據個人經驗對功能設計和EMC分析的思維差異進行區(qū)分：功能設計的三個特點：差模，時域，邏輯。

1. 差模：功能設計的邊界完善，電路回環(huán)可以通過參數指標表述。遵循相應的規(guī)則時功能可以細化和組合，所有性能處于相應邊界內的設計。不論器件還是電路，功能機制，還是布線布板都有很清晰的定義。只要滿足這些設計要求，就可以實現相應的功能，工程師主要是在此基礎上努力實現產品更精，更好，更強。

2. 時域：功能設計重點關注時域，最典型的是信號時序，即在某一個時間段內信號的幅值是否滿足判定閾值要求。功能設計的驗證主要是在通過示波器在時域內進行，首先是確保不同電路時序要求，然后在功能運行期間電源和信號的電壓或電流幅值滿足要求。工程師在此前提下進行挖掘，在同一時間段實現更多功能。

3. 邏輯：功能設計遵循清晰的邏輯，由于邊界比較固定，理想和實際的擬合有許多經過驗證的規(guī)則可供借鑒和應用，這些定理在功能設計所涵蓋的領域內是不容置疑的。只要遵循邏輯規(guī)律演繹，就可以得到預想中的功能。設計工程師的作用是將2+2=4的邏輯細化成1+1+1+1=4，從而研發(fā)出更為靈活和實用的產品。EMC分析的三個特點：共模，頻域，概率

1. 共模：共模是比較模糊的定義，從物理學的角度而言，任何電路都遵循同樣的規(guī)律，不存在所謂共模和差模。實際功能電路都存在非設計之外的路徑，區(qū)分共模和差模是分析問題的便宜之策，由此探討共模和差模相互轉化帶來EMC問題。當然有部分EMC問題就是純粹的差模疊加問題，個人傾向歸于功能設計范疇。

2. 頻域：由于EMC關注共模環(huán)路，設計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計帶來的寄生參數，主要是寄生電感和電容，特性都跟頻率相關。以上特性使得環(huán)路阻抗主要取決于頻率特性，一般EMC測試和分析傾向以頻率/分貝進行量化，從而通過分析頻率響應來界定功能電路的影響。

3. 概率：最后也是最重要的一點就是概率， EMC所考慮的系統(tǒng)并不僅僅包含所設計的部分，還包括其配合應用，例如電網環(huán)境，甚至還有周邊毫無直接關聯的設備，這部分不在設計者掌控范圍內。原本的邏輯分析需要拓展到概率分析的領域，也就是建立基于統(tǒng)計規(guī)律的應用領域經驗，形成經驗規(guī)則來規(guī)范分析過程。03
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EMC何去何從
現場發(fā)生的EMC問題大多以隨機的方式出現，以至于EMC分析獲得“黑魔法”的諢號。似乎每個設計人員都懂EMC，并能解決相當一部分所設計產品的EMC問題，然而一旦碰到系統(tǒng)性問題，容易出現束手無策的現象。個人認為原因就在于不同領域不同思維模式差異造成的，在分工合作日趨完善的當今技術領域，技術人員對自家一畝三分地非常熟悉，然而對系統(tǒng)范圍的EMC機制并不是那么清楚，其往往貫穿遠超個體所承擔的分工部分的整個系統(tǒng)時，這種現象更明顯。當前在技術領域已經有將EMC從產品設計獨立出來的趨勢，不過這只在某些應用相對單一的行業(yè)，最典型的是電動車，得益于技術發(fā)展，尤其應用相對固定，容易將經驗轉化為規(guī)則，讓分析回到邏輯范疇。但這種模式顯然在可預期的未來不可能推廣到應用環(huán)境多變的工控領域，個人看來原因如下：1. 共模概念模糊，環(huán)路并不是設計出來的；2. 頻域理念雖然有所界定，但展開是無限；3. 概率需要統(tǒng)計方法，當前實際很難支撐。從以上結論可以看出，功能設計是腳踏實地，線性積累的模式，EMC分析則往往只能定性，難以定量，與所謂的科學方法有點貌合神離，這是EMC領域始終處于模糊地帶的根本原因。暫時無法建立系統(tǒng)化的分析方法之前，EMC設計的實現需要設計工程師和EMC工程師進行分工合作，EMC工程師是從系統(tǒng)層面進行問題定位，一旦進入專有領域，設計工程師更擅長。