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智能化趨勢下的EMC設計問題

發(fā)布時間:2019-12-06 責任編輯:xueqi

【導讀】智能化使電磁兼容問題變得更復雜,主要是因為智能化需要引入大量新的技術(shù),或者將技術(shù)用到全新的場景中。無論智能汽車、智能家居、智慧城市、智能制造、還是智能終端,都將使用高密度、多互聯(lián)的電子設備,而且應用場景交互,并相互影響。
 
電磁兼容、電磁干擾是一個由來已久的技術(shù)問題。下圖是20世紀七八十年代模擬電視受干擾產(chǎn)生的“雪花”現(xiàn)象。當時,人們?nèi)粘I钪性絹碓蕉嗍褂弥T如冰箱、洗衣機等有突然開關(guān)的電子設備,啟動所產(chǎn)生的電磁干擾,會影響電視畫面、收音機音質(zhì)。
 
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模擬電視“雪花”現(xiàn)象(圖片來源:WIKI)
 
本世紀初以來,消費者的生活逐漸被3C電子產(chǎn)品和移動應用所包圍?,F(xiàn)在的消費大眾不僅關(guān)心手機、微波爐的輻射安全,還關(guān)注住家附近即將架設的高壓輸電線等話題。電磁兼容性已經(jīng)成為產(chǎn)品的技術(shù)和安全門檻。
 
當然,EMC/EMI在專業(yè)從事電子產(chǎn)品設計研發(fā)的工程技術(shù)人員眼里:是一個方程,一套近乎完整的標準體系,以及相應完善的設計、測試、驗證的行業(yè)架構(gòu)。
 
國家標準GB/T4365-1995《電磁兼容術(shù)語》對電磁兼容所下的定義為:“設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。”
 
簡單地說,電磁兼容就是關(guān)于設備或系統(tǒng)的抗干擾能力和對外騷擾程度。研究在有限的空間、有限的時間、有限的頻譜資源條件下,各種用電設備(系統(tǒng)、子系統(tǒng)、甚至廣義的還包括生物體)如何共存并不致引起降級。
 
看起來EMC是個問題
但只是一個“不成問題的問題”
 
 
一輛無法啟動的汽車
 
最近,在上海舉辦了第十八屆中國電磁兼容技術(shù)論壇(EMC China2018)上,一位業(yè)界專家演講中舉例,北京某微波站附近經(jīng)常發(fā)生汽車突然無法啟動,而將車推離現(xiàn)場幾十米后問題會消失。
 
推車照片及相關(guān)電磁干擾測試結(jié)果,因為涉及車企不便分享,但是,這個場景足以說明一個問題——在“汽車”都開始變成“電子車”的時代,電磁兼容、電磁干擾不再只與產(chǎn)品的“效果”和“合規(guī)”有關(guān),而是涉及產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)性能是否能實現(xiàn)以及產(chǎn)品安全。
 
 
EMC問題:越智能,越復雜
 
看得更遠一點,今天的科技正在把未來規(guī)劃成一個萬物互聯(lián)、智能化的世界。
 
高速路段上車輛使用自動駕駛/輔助駕駛,并裝備大量的電子娛樂和通信設備,醫(yī)院使用大量的電子輔助設備,每個人都佩戴諸多智能可穿戴產(chǎn)品,而日常生活中家居和安全設施都開始智能化。
 
 
這些場景下發(fā)生電磁兼容問題的后果,可能是交通、醫(yī)療事故,智能網(wǎng)絡癱瘓,甚至消費者安全。在全球各行各業(yè)熱炒智能化概念的大趨勢下,電磁兼容問題將面臨全然不同的新挑戰(zhàn)。
 
EMC China 2019研討會上,一位業(yè)界專家這樣總結(jié)道:“EMC設計的重心已不僅是滿足整機檢測認證標準,更是要保障復雜電磁環(huán)境中各關(guān)鍵功能、性能的可靠實現(xiàn),確保新技術(shù)落地。”
 
智能化使電磁兼容問題變得更復雜,主要是因為智能化需要引入大量新的技術(shù),或者將技術(shù)用到全新的場景中。無論智能汽車、智能家居、智慧城市、智能制造、還是智能終端,都將使用高密度、多互聯(lián)的電子設備,而且應用場景交互,并相互影響。
 
那么,今天廣為熱議的五大智能化領(lǐng)域,需要使用哪些新技術(shù)、新應用呢?
 
1. 智能汽車
 
汽車智能化,不僅指車內(nèi)設備使用智能化電子技術(shù),還包括了整車的智能化——自動駕駛、輔助駕駛、車輛在道路上的互聯(lián)。智能汽車需要使用大量的傳感器,需要視覺和高速攝像,要配置大屏顯示、語音、手勢等交互功能;導航已經(jīng)汽車標配,智能汽車還會使用4G/5G、BT、WIFI、CAN、MOST、LIN等各種通訊技術(shù)。使用這些新技術(shù)給汽車的電磁兼容問題帶來全方位、多方面的挑戰(zhàn)。
 
 
2. 智能家居
 
家電創(chuàng)新讓我們身邊的白色家電增加了觸摸屏、攝像頭,智能家居開始使用人臉識別、語音人機互動。家居智能化必須引入綜合布線、網(wǎng)絡通信、安全防范等技術(shù)要素,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能需要各種通訊協(xié)議,比如Zigbee、4G/5G、BT、WIFi、紅外、Z-wave。在這樣多標準、多場景、多連接的環(huán)境下,怎樣保證EMC不影響設備的性能和安全?
 
3. 智慧城市
 
智慧城市涉及到城市生活和管理中的各行各業(yè),比如智能的交通、教育、醫(yī)療、交通、物流、市政管理、以及平安城市要用到的安防預警。城市管理智能化技術(shù)要素包括大數(shù)據(jù)、云計算、高清視覺、物聯(lián)網(wǎng),用到大量視覺監(jiān)控、環(huán)境傳感、電子標簽、圖形識別、以及交互和通訊協(xié)議。全場景、多系統(tǒng)、以及極高的安全性要求,是電磁兼容在這個領(lǐng)域的新課題。
 
 
4. 智能制造
 
工業(yè)4.0、無人工廠概念正在將工業(yè)生產(chǎn)交給機器人和各種自動化管理系統(tǒng),比如物料管理、產(chǎn)線監(jiān)控、質(zhì)量管理。智能制造涉及工業(yè)視覺、自動化、無線通信、云計算、人機接口等技術(shù)要素,大量使用圖像識別、環(huán)境傳感、電子標簽之外,還需要WIFI、BT以及非常穩(wěn)定的局域網(wǎng)。電磁兼容性能要保障高級別的人機交互的穩(wěn)定和安全。
 
5. 智能終端
 
與人們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān)的莫過于智能終端,除了手機還有AR/VR、智能穿戴、智能音箱、個人健康管理終端。
 
以手機為例,最大的技術(shù)挑戰(zhàn)莫過于非常高的集成度——盡管已經(jīng)取代相機、mp3、GPS,人們還希望手機擁有更大容量電池,增加智能語音、AI、多個攝像頭、實現(xiàn)無線快充、指紋/人臉識別、心率儀;而5G和折疊屏時代即將到來!怎樣才能要防止電池和天線、天線與多媒體組件、組件模塊之間、組件和系統(tǒng)相互干擾?
 
OMG!
對電磁兼容工程師來說
 
這是最好的時代
這是最壞的時代
這是智慧的時代
 
新技術(shù)帶給EMC五大挑戰(zhàn)
 
智能化趨勢下的新技術(shù)、新挑戰(zhàn),帶給EMC設計新的痛點——有意發(fā)射和無意發(fā)射共存,EMC三要素不容易區(qū)分,角色不分彼此,不同場景下關(guān)系相互轉(zhuǎn)換。EMI問題相互交叉關(guān)聯(lián),傳統(tǒng)的屏蔽、接地、濾波、隔離等設計方法很難繞過這些痛點。
 
這使得EMC的設計難度增大了一個量級。一方面,如果等到整機測試并做逆向整改,可能處于為時已晚、改無可改的境地;另一方面,如果進行芯片EMC預先評估,面對的將會是問題場景無法復現(xiàn)的尷尬。現(xiàn)有EMC應對策略難以滿足要求,流程上也存在缺陷。
 
智能時代的EMC設計需要新策略
 
要確保新技術(shù)的落地,EMC解決方案應該要盡量提前識別和評估風險,提前設計和改善EMC性能。做到這點,需要在芯片和整機之間,建立一種評估方法,模擬失效機理,對應問題場景進行評估衡量。新的EMC應對策略要從原理設計、布局、PCB設計和制造、整機組裝、測試驗證、檢測認證、到量產(chǎn),做全流的優(yōu)化,才能確保EMC不成為智能化進程中的問題。 (*注:本報道諸多觀點和素材整理自EMC China2019研討會的嘉賓演講.)
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