【深度报道】 老问题,新挑战:智能化趋势下的EMC设计

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电磁兼容、电磁干扰是一个由来已久的技术问题。下图是20世纪七八十年代模拟电视受干扰产生的“雪花”现象。当时,人们日常生活中越来越多使用诸如冰箱、洗衣机等有突然开关的电子设备,启动所产生的电磁干扰,会影响电视画面、收音机音质。

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模拟电视“雪花”现象(图片来源:WIKI)

本世纪初以来,消费者的生活逐渐被3C电子产品和移动应用所包围。现在的消费大众不仅关心手机、微波炉的辐射安全,还关注住家附近即将架设的高压输电线等话题。电磁兼容性已经成为产品的技术和安全门槛。

当然,EMC/EMI在专业从事电子产品设计研发的工程技术人员眼里:是一个方程,一套近乎完整的标准体系,以及相应完善的设计、测试、验证的行业架构。

国家标准GB/T4365-1995《电磁兼容术语》对电磁兼容所下的定义为:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”

简单地说,电磁兼容就是关于设备或系统的抗干扰能力和对外骚扰程度。研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下,各种用电设备(系统、子系统、甚至广义的还包括生物体)如何共存并不致引起降级。

看起来EMC是个问题

但只是一个“不成问题的问题”

1 一辆无法启动的汽车

最近,在上海举办了第十八届中国电磁兼容技术论坛(EMC China2018)上,一位业界专家演讲中举例,北京某微波站附近经常发生汽车突然无法启动,而将车推离现场几十米后问题会消失。

推车照片及相关电磁干扰测试结果,因为涉及车企不便分享,但是,这个场景足以说明一个问题——在“汽车”都开始变成“电子车”的时代,电磁兼容、电磁干扰不再只与产品的“效果”和“合规”有关,而是涉及产品的关键技术性能是否能实现以及产品安全。

2 EMC问题:越智能,越复杂

看得更远一点,今天的科技正在把未来规划成一个万物互联、智能化的世界。

高速路段上车辆使用自动驾驶/辅助驾驶,并装备大量的电子娱乐和通信设备,医院使用大量的电子辅助设备,每个人都佩戴诸多智能可穿戴产品,而日常生活中家居和安全设施都开始智能化。

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这些场景下发生电磁兼容问题的后果,可能是交通、医疗事故,智能网络瘫痪,甚至消费者安全。在全球各行各业热炒智能化概念的大趋势下,电磁兼容问题将面临全然不同的新挑战。

EMC China 2019研讨会上,一位业界专家这样总结道:“EMC设计的重心已不仅是满足整机检测认证标准,更是要保障复杂电磁环境中各关键功能、性能的可靠实现,确保新技术落地。

智能化使电磁兼容问题变得更复杂,主要是因为智能化需要引入大量新的技术,或者将技术用到全新的场景中。无论智能汽车、智能家居、智慧城市、智能制造、还是智能终端,都将使用高密度、多互联的电子设备,而且应用场景交互,并相互影响。

那么,今天广为热议的五大智能化领域,需要使用哪些新技术、新应用呢?

1. 智能汽车

汽车智能化,不仅指车内设备使用智能化电子技术,还包括了整车的智能化——自动驾驶、辅助驾驶、车辆在道路上的互联。智能汽车需要使用大量的传感器,需要视觉和高速摄像,要配置大屏显示、语音、手势等交互功能;导航已经汽车标配,智能汽车还会使用4G/5G、BT、WIFI、CAN、MOST、LIN等各种通讯技术。使用这些新技术给汽车的电磁兼容问题带来全方位、多方面的挑战。

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2. 智能家居

家电创新让我们身边的白色家电增加了触摸屏、摄像头,智能家居开始使用人脸识别、语音人机互动。家居智能化必须引入综合布线、网络通信、安全防范等技术要素,实现物联网功能需要各种通讯协议,比如Zigbee、4G/5G、BT、WIFi、红外、Z-wave。在这样多标准、多场景、多连接的环境下,怎样保证EMC不影响设备的性能和安全?

3. 智慧城市

智慧城市涉及到城市生活和管理中的各行各业,比如智能的交通、教育、医疗、交通、物流、市政管理、以及平安城市要用到的安防预警。城市管理智能化技术要素包括大数据、云计算、高清视觉、物联网,用到大量视觉监控、环境传感、电子标签、图形识别、以及交互和通讯协议。全场景、多系统、以及极高的安全性要求,是电磁兼容在这个领域的新课题。

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4. 智能制造

工业4。0、无人工厂概念正在将工业生产交给机器人和各种自动化管理系统,比如物料管理、产线监控、质量管理。智能制造涉及工业视觉、自动化、无线通信、云计算、人机接口等技术要素,大量使用图像识别、环境传感、电子标签之外,还需要WIFI、BT以及非常稳定的局域网。电磁兼容性能要保障高级别的人机交互的稳定和安全。

5. 智能终端

与人们日常生活息息相关的莫过于智能终端,除了手机还有AR/VR、智能穿戴、智能音箱、个人健康管理终端。

以手机为例,最大的技术挑战莫过于非常高的集成度——尽管已经取代相机、mp3、GPS,人们还希望手机拥有更大容量电池,增加智能语音、AI、多个摄像头、实现无线快充、指纹/人脸识别、心率仪;而5G和折叠屏时代即将到来!怎样才能要防止电池和天线、天线与多媒体组件、组件模块之间、组件和系统相互干扰?

OMG!

对电磁兼容工程师来说

这是最好的时代

这是最坏的时代

这是智慧的时代

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新技术带给EMC五大挑战

智能化趋势下的新技术、新挑战,带给EMC设计新的痛点——有意发射和无意发射共存,EMC三要素不容易区分,角色不分彼此,不同场景下关系相互转换。EMI问题相互交叉关联,传统的屏蔽、接地、滤波、隔离等设计方法很难绕过这些痛点。

这使得EMC的设计难度增大了一个量级。一方面,如果等到整机测试并做逆向整改,可能处于为时已晚、改无可改的境地;另一方面,如果进行芯片EMC预先评估,面对的将会是问题场景无法复现的尴尬。现有EMC应对策略难以满足要求,流程上也存在缺陷。

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智能时代的EMC设计需要新策略

要确保新技术的落地,EMC解决方案应该要尽量提前识别和评估风险,提前设计和改善EMC性能。做到这点,需要在芯片和整机之间,建立一种评估方法,模拟失效机理,对应问题场景进行评估衡量。新的EMC应对策略要从原理设计、布局、PCB设计和制造、整机组装、测试验证、检测认证、到量产,做全流的优化,才能确保EMC不成为智能化进程中的问题。 (*注:本报道诸多观点和素材整理自EMC China2019研讨会的嘉宾演讲.)

关于村田 

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。

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