在泰华施，我们为学校、机场、医院、仓库和其他领域开发全自动清洁机器人。我们的机器人一次充电可以清洁约4万平方英尺。它包含7个电机，超过50个传感器，多个PCBAs和线束。机器人在全球多个国家销售，因此今天在世界各地销售产品意味着必须为多个国家或地区进行EMC符合性测试，以满足多个监管标准(例如CE、FCC、RCM、IC等)。
考虑这样一个场景(参见图1)，在这个场景中，我们的自主清洁机器人正在医院走廊上进行清洁，它经过一个满是正在运行的MRI机器的房间。在这种情况下，让我们考虑一下，如果该产品设计得不够坚固，无法减轻来自MRI机器的电磁能量干扰，会发生什么情况。风险是什么?如果在客户的应用程序中，机器人出现问题，对产品声誉有什么影响?
原始设备制造商(OEM)最不想听到的就是他们的产品对客户的设施造成了损害，或者更糟的是，有人受伤了。这个场景给出了一个很好的例子，说明了为什么要在全球范围内销售产品，满足各种产品标准是很重要的，也是必须的。如果我们的产品在运行过程中释放或辐射高水平的电磁能量，可能对其他客户设备造成干扰，则情况也会相反。在这种情况下，客户不会想要购买那些类型的产品。对于我们的商业应用，EMC测试变得更加重要，以确保我们的产品在多种应用环境中以安全可靠的方式运行。
挑战在于，在产品开发生命周期中，EMC测试传统上不是一个快速的过程，因为测试通常在非现场的第三方实验室中完成，在那里他们的时间表规定了完成时间。
遵从性前测试的价值
大多数正在开发的新产品通常在第一次进行某种EMC测试时失败。问题是，在非现场的第三方实验室进行大多数EMC测试被认为是昂贵的。通常，非现场EMC测试每天的成本从2,000美元到2,500美元不等，具体取决于所做测试的类型。通常这种产品测试至少要进行一周，这意味着公司要花费大约12500美元。另外，一定要记住，实验室成本通常不包括公司的工程时间或公司产品在研发设施和EMC测试实验室之间运输的时间。
如果所有EMC测试(包括遵从性前测试)都是在场外的第三方实验室完成的，而不是在内部进行EMC遵从性前测试，为了更好地研究这种情况可能带来的成本影响，我们需要首先为开发完成90%的产品定义典型的工作流程，并为开始EMC测试做好准备。
因此，让我们为这个工作流定义两个场景:场景1，其中所有EMC测试(包括遵从性前测试)都在场外的第三方实验室中完成;场景2，包括在进行场外EMC测试之前进行内部EMC遵从性前测试。图2和图3描述了这些场景。
现在，让我们描绘一个正在开发的产品的典型情况，该产品三次未能通过EMC测试。在这种情况下，您的开发团队被困在图2所示的第一个循环中，这阻止了您为了为业务产生收入而推出产品销售。经验表明，在这种情况下恢复是极其困难的。
如果您的工程团队内部有一些EMC遵从性前测试可用，那么可能的场景流程如图3所示。在这种情况下，团队可以灵活地解决未知问题。由于机器人非常复杂，工程团队可能会集成第三方产品。当内部的法规遵循前测试不是一个选项时，大量的时间会被浪费在解决团队控制之外的问题上。另外，通过内部遵从性前测试，可以在开发周期的非常早期阶段解决和缓解与第三方供应商的问题和EMC问题。这也可以给公司更多的时间去寻找新的供应商。在其他情况下，通过内部的EMC预遵从性，可以在开发周期的早期进行测试。
任何新产品开发工作作为开发生命周期的一部分，您总是有进度风险和产品开发的未知因素。问题是，如何在组织中建立敏捷性和灵活性，以应对这些未知因素?
现在，让我们定义我们的研发开发时间线和EMC测试成本，以分配给两个定义的场景。这些估计数列于表1。(所示的成本是任意的，以提供如何进行计算的模型，工程费用费率可能从每小时75美元到每小时100美元以上，这取决于组织和位置。
工程技术费用@ $80/小时- 40小时/周 |
3200美元 |
Est. ENG出差费用每周 |
1500美元 |
EMC测试实验室每日费用 |
2500美元 |
EMC测试实验室每周费用 |
12500美元 |
产品运输到EMC实验室的费用(单程) |
200美元 |
场景1:Est. EMC测试和开发时间表(周) |
场景1产生的成本 |
||
测试迭代# 1 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
12500美元的实验时间+ 4700美元的工程和旅行 |
|
EMC实验室返程时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
|
是时候排除EMC次要问题并实施解决方案了 |
5 |
16000美元ENG时间 |
|
测试迭代# 2 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
12500美元的实验时间+ 4700美元的工程和旅行 |
|
EMC实验室返程时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
|
进行故障排除和实施解决方案的时间 |
2 |
6400美元ENG时间 |
|
测试迭代# 3 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
12500美元的实验时间+ 4700美元的工程和旅行 |
|
---------- |
总时间及费用: |
15周内 |
91000美元 |
场景2:Est. EMC测试和开发时间表(周) |
场景2产生的成本 |
||
测试迭代# 1 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
0 |
0美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
3200美元ENG时间 |
|
EMC实验室返程时间(单程) |
0 |
0美元 |
|
是时候排除EMC次要问题并实施解决方案了 |
4（1） |
12800美元ENG时间 |
|
测试迭代# 2 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
0 |
0美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
3200美元ENG时间 |
|
EMC实验室返程时间(单程) |
0 |
0美元 |
|
进行故障排除和实施解决方案的时间 |
1(1） |
3200美元 |
|
测试迭代# 3 |
运送到EMC实验室的时间(单程) |
1 |
英语时间200 + 3200美元 |
EMC实验室的测试时间 |
1 |
12500美元的实验时间+ 4700美元的工程和旅行 |
|
------------ |
总时间及费用: |
9日星期 |
43000美元 |
表3:
- 内部故障排除和设计解决方案本质上更容易解决、更快解决，因为团队已经积极参与EMC测试工作。
表2和表3描述了在完成EMC测试之前，在上述场景中迭代三次所产生的研发、开发和EMC测试成本。在这些情况下，我们可以在场景一中看到，所有估计的工程时间、工程旅行成本、运输成本和EMC测试的成本约为91,000美元。而在第二种情况下，这些成本更低，约为4.3万美元。此外，两个场景之间的EMC测试工作完成时间间隔为6周。
为了更全面地了解内部没有EMC预遵从性对业务方面收入损失的总体影响，让我们定义一些销售和产品收入估计，如表4所示。与表1类似，表4中的数字是任意的。参考图4，我们看到由于所有EMC测试都在场外进行，导致产品发布延迟了6周，这导致了190万美元的收入损失。这是重要的!在这种情况下，我们本可以用损失的收入支持另一个项目开发工作，更不用说与其他竞争对手相比，失去的市场份额对公司产品的可能影响。
制造产品的成本 |
2500美元 |
产品建议零售价(50%利润率) |
5000美元 |
产品单位收入 |
2500美元 |
每月销售额 |
500个单位 |
每周/每月销售收入 |
312500美元/ 1250000美元 |
每年总销售收入(52周) |
16250000美元 |
如何构建内部测试能力
在大多数情况下，在内部进行静电放电(ESD)预遵从性测试是相对简单的，因为您需要一个ESD枪、一个接地平面和一些其他部分来构建您的测试设置。然而，它最终将取决于测试计划和产品测试需求。
对于EMI或辐射排放测量，您将需要更多的设备来进行有效的测试设置。消声室是最常用的室内EMI测试，因为它们可以通过吸收电磁波创造一个低噪音的环境。问题是消声室非常昂贵。为了确保您对被测设备(EUT)进行准确的EMI合规前测量，您需要一个解决方案来减轻设备中可能存在的高环境噪声源。在泰华施工厂，各种频率的环境噪声都远远高于A类限制。今天的电磁干扰帐篷，如图5中Select Fabricators[1]所示，能够在1 GHz时达到100dB衰减。这个衰减量对于典型的辐射发射限制(例如A类或B类)已经足够了。此外，当使用Rohde & Schwarz ESRP3的时域扫描时，可以在不到45分钟的时间内完成从30 MHz到1 GHz的8个全准峰值扫描。唯一的限制是您可以多快地重新定位您的天线或被测设备(EUT)，以进行下一次测量。
辐射排放有多个级别或限制，这取决于产品的应用。作为一个例子，见图5各种类型的设备和相应的适用标准的例子。为了方便讨论，我们将只讨论FCC非故意散热器B类和A类限制，这两类限制都是按照CE对RED的要求从30 MHz到1 GHz协调的。因此，在本文中，我将只将这些限制称为A类或B类。一些产品将被测试到B类限值，用于住宅应用，而工业产品将被测试到A类限值，其限值更高10分贝。
如表5所示，列出了租用和购买您自己的EMI合规前测试设置的成本汇总。此外，表6演示了您自己的ESD遵从前测试设置的“租金与购买”成本(图6提供了表5中列出的测试设备的可视化描述，图7提供了表6中列出的测试设备的可视化描述)。
描述 |
每月租金 |
Est.购买价格 |
EMC测试类型 |
EMI测试接收机 |
1700美元 |
~ $ 20 k $ 35 k |
EMI |
电磁干扰天线，三脚架和电缆 |
600美元 |
~ 8 k美元 |
EMI |
EMI帐篷 |
4000美元 |
10 k美元30 k(1） |
EMI |
近场探头 |
200美元 |
300到2 k |
EMI |
总成本 |
6500美元 |
39美元k到75 k |
表5:
- 总费用取决于帐篷的大小和增加的选项。
图5-有关标准简介
描述 |
每月租金 |
Est.购买价格 |
EMC测试类型 |
防静电枪 |
500美元 |
10 k美元15 k |
防静电 |
地平面 |
N/A |
200美元(1） |
防静电 |
总成本 |
500美元 |
~ 15 k - 10 k美元 |
表6:
- 所示成本为在五金店购买材料建造地面平面
回到表2和表3，当我们从场景1的成本($91,000)中减去场景2产生的成本($43,000)时，得到的差额为$48,000。节省的48,000美元比表5或表6所示的基本EMI合规前设置多．换句话说，EMC遵从性前测试设置的投资回报是立即的，并且设置在第一个项目开发工作中就可以获得回报。更不用说，场景二所显示的收入节省190万美元的ROI，是EMC遵从性前测试设置的几倍。
举例来说，为了在全球市场(美国、加拿大、欧盟、俄罗斯、澳大利亚、新西兰、韩国等)销售，我们最近的产品发布总EMC实验室测试成本超过70,000美元。第一次将机器人运到EMC测试实验室时，我们通过了所有的测试，包括辐射排放(EMI)、ESD和辐射免疫。在那个例子中，我们非常有信心我们会通过，因为我们已经在我们的工程设施中完成了多次EMC遵从性前测试迭代。这意味着我们不仅按时发布了游戏，而且还提前完成了合规测试。在先前的其他使用EMI预遵从性测试设置的示例中，我们能够将产品开发进度缩短三个月，以解决非常复杂的EMC问题并发布我们的产品。
设置示例
下面所示的图8和图9提供了泰华施开发的测试设置示例，并用于进行内部EMC遵从性前测试。对于图8，应该注意地平面是与接地端接的。如图9所示，在打开所有校正因子的情况下，用ESRP3在Select Fabricators EMI帐篷中测量的环境噪声下限比B类准峰值(30mhz到1ghz)低约10dB。图9所示的生物天线来自AH系统(MPN: SAS-521-4)，可以测量25 MHz到4 GHz，这涵盖了EMI测试的最关键测量范围(由FCC, RED等定义)，从30 MHz到1 GHz。天线校正因子对于水平和垂直偏振都是相同的。正因为如此，为了进行新的测量，只需旋转天线，就可以很容易地将测试设置从垂直切换到水平。
我们使用了第三方EMI实验室来验证我们的EMI测试设置与认证的EMI测试设置相比，测量值通常高出3dB到5dB。如果我们愿意，我们可以在我们的EMI设置中添加一个额外的校正因子来补偿我们看到的测量增量的频率。最终，通过EMI测试设置，我们有信心地知道，如果我们处于或低于各自的限制，我们将通过场外第三方实验室的EMI测试，与准峰值限制相比有3dB到5dB的裕度。
此外，通过ESD测试设置，我们还非常有信心地知道，如果我们通过了我们内部的ESD测试，我们将通过第三方实验室的场外ESD测试。
图9-泰华施的EMI辐射排放合规前示例设置
如何在内部对emc进行故障排除?
今天，有多个供应商可以向工程师提供客户解决方案或样品，以帮助解决内部的EMC问题。这些供应商可以帮助建立各种解决方案的原型，在公司的产品上快速测试。图10提供了市场上可用的一些解决方案的快速描述。重点是，内部研发工程师更容易使用这些工具，以便他们能够成功地缓解问题。
图10-描述内部的EMC故障排除选项
在新产品开发周期中总会有未知的东西。需要问的问题是，您的工程团队应该如何准备，以敏捷地开发这些复杂的产品?内部EMC遵从性前测试可以提供更快速和敏捷的方法来缓解这些问题。此外，内部的EMC遵从性前测试可以为重复的产品生命周期工作或产品特性更新节省成本，还可以为您的研发开发工作带来巨大的回报，ROI是即时的。
参考文献