通过内部EMC预合规测试解决EMC挑战

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。我们的机器人在一次电池充电后可清洁约4万平方英尺的环境。它包含7个电机，超过50个传感器，多个pcba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在多个国家或地区进行EMC合规性测试，以满足多个监管标准(例如CE、FCC、RCM、IC等)。

考虑一个场景(见图1)，我们的自主清洁机器人正在医院走廊清洁，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MRI机器辐射出的电磁能量干扰，会发生什么情况。风险是什么?如果这个客户的应用程序中的机器人出了问题，产品声誉会有什么影响?

任何原始设备制造商(OEM)最不想听到的是他们的产品对客户的设施造成了损坏，或者更糟的是，有人受伤了。这个场景描绘了一个很好的例子，说明了为什么满足各种产品标准对在全球销售产品是重要的，也是必需的。反之亦然，如果我们的产品在运行过程中发射或辐射高水平的电磁能量，可能会对其他客户设备造成干扰。在这种情况下，客户将不想购买这些类型的产品。对于我们的商业应用，EMC测试变得更加重要，以确保我们的产品能够以安全可靠的方式在多种应用环境中运行。

挑战在于EMC测试在产品开发生命周期中不是一个传统的快速过程，因为测试通常在第三方实验室进行，他们的时间表规定了完成时间。

预遵从性测试的价值

大多数正在开发的新产品通常第一次就无法通过某种EMC测试。问题是，在异地第三方实验室进行的大多数EMC测试都被认为是昂贵的。通常，EMC场外测试每天的成本从2,000美元到2,500美元不等，具体取决于所做测试的类型。通常这种产品测试会持续至少一周，这意味着一个公司要花费大约12500美元。此外，重要的是要记住，实验室成本通常不包括公司的工程时间或在研发设施和EMC测试实验室之间运送公司产品的时间。

如果所有EMC测试(包括预合规测试)都在第三方实验室进行，而不是在内部进行EMC预合规测试，为了更好地调查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%并准备开始EMC测试的产品定义典型的工作流程。

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(包括预合规测试)都在第三方实验室的场外完成;场景2，其中包括在进行场外EMC测试之前进行内部EMC预合规测试。图2和图3描述了这些场景。

现在，让我们描述一个正在开发的产品的典型情况，该产品在EMC测试中失败了三次。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。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预遵从性测试，则可能的场景流程如图3所示。在这种情况下，团队可以灵活地处理未知的问题。由于机器人非常复杂，工程团队可能会集成第三方产品。当内部的预遵从性测试不是一个选项时，试图解决团队控制之外的问题会浪费大量时间。或者，通过内部的合规前测试，第三方供应商的问题和EMC问题可以在开发周期的早期阶段得到解决和缓解。这也可以给他们更多的时间去寻找新的供应商。在其他情况下，通过内部EMC预遵从性，可以在开发周期的早期进行测试。

对于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，您如何在您的组织中建立敏捷性和灵活性来解决这些未知问题?

现在，让我们定义我们的研发开发时间轴和EMC测试成本，并将其分配给两个定义的场景。这些估计值见表1。(所显示的成本是任意的，以提供如何进行计算的模型，工程开销率可能从每小时75美元到每小时超过100美元不等，这取决于组织和位置。

工程费用@ $80/小时- 40小时/周	3200美元
每周Est. ENG差旅费用	1500美元
EMC测试实验室的日常费用	2500美元
EMC测试实验室周期费	12500美元
产品运往EMC实验室的运费(单程)	200美元

场景1:EMC测试和开发时间表(周)			场景1产生的成本
测试迭代#1	运送至EMC实验室的时间(单程行程)	1	$200 + $3200 ENG时间
	EMC实验室的测试时间	1	12500美元实验室时间+ 4700美元工程和旅行
	从EMC实验室发货时间(单程)	1	$200 + $3200 ENG时间
	是时候排除轻微EMC问题并实施解决方案了	5	英语时间$16,000
测试迭代#2	运送至EMC实验室的时间(单向)	1	$200 + $3200 ENG时间
	EMC实验室的测试时间	1	12,500美元实验室时间+ 4,700美元工程和旅行
	从EMC实验室发货时间(单程)	1	$200 + $3200 ENG时间
	故障排除和实施解决方案的时间	2	6400美元英语时间
测试迭代#3	运送至EMC实验室的时间(单程行程)	1	$200 + $3200 ENG时间
	EMC实验室的测试时间	1	12,500美元实验室时间+ 4,700美元工程和旅行
----------	累计时间和费用:	15周内	91000美元

场景2:EMC测试和开发时间表(周)			场景2产生的成本
测试迭代#1	运送至EMC实验室的时间(单程行程)	0	0美元
	EMC实验室的测试时间	1	$3200英语时间
	从EMC实验室发货时间(单程)	0	0美元
	是时候排除轻微EMC问题并实施解决方案了	4（1）	12,800美元英语时间
测试迭代#2	运送至EMC实验室的时间(单程行程)	0	0美元
	EMC实验室的测试时间	1	$3200英语时间
	从EMC实验室发货时间(单程)	0	0美元
	故障排除和实施解决方案的时间	1(1）	3200美元
测试迭代#3	运送至EMC实验室的时间(单程行程)	1	$200 + $3200 ENG时间
	EMC实验室的测试时间	1	12,500美元实验室时间+ 4,700美元工程和旅行
------------	累计时间和费用:	9日星期	43000美元

1. 内部故障排除和设计解决方案本质上更容易解决，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需的估计时间线以及所产生的研发开发和EMC测试成本。在这些例子中，我们可以看到，在场景一中，所有估计工程时间、工程旅行成本、运输成本和EMC测试的成本大约为91,000美元。而在第二种情况下，这些成本要少一些，约为4.3万美元。此外，两种场景之间的EMC测试工作完成时间线相差6周。

为了更深入地了解内部没有EMC预合规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中显示的数字是任意的。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。这很重要!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，失去市场份额对公司产品的可能影响。

构建产品的成本	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
每月最低销售额	500个单位
每周/每月销售收入	$312,500 / $1,250,000
年销售收入总额(52周)	16250000美元

如何建立内部测试能力

在大多数情况下，在内部进行静电放电(ESD)预测试是相对简单的，因为您需要一个ESD枪、一个接地平面和其他一些部件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或辐射发射测量，您将需要更多的设备来进行有效的测试设置。消声室最常用于室内EMI测试，因为它们可以通过吸收电磁波来创造低噪声环境。问题是消声室很贵。为了确保对被测设备(EUT)进行准确的电磁干扰预测试，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高于A类限制。今天的EMI帐篷，如图5中Select Fabricators[1]所示，能够在1 GHz时衰减100dB。这种衰减量对于典型的辐射发射限制(例如A类或B类)来说已经足够了。此外，当使用罗德施瓦茨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待测天线或设备(EUT)，以进行下一次测量。

辐射辐射有多个级别或限制，根据产品应用而有所不同。作为示例，各种类型的设备示例和相应的适用标准见图5。为了在这里进行讨论，我们将只讨论FCC无意散热器B类和A类限制，它们都与RED的CE要求一致，从30 MHz到1 GHz。因此，在本文中，我将只将这些限制称为A类或B类。对于住宅应用，一些产品将测试到B类极限，而对于工业产品，它们将测试到A类极限，其上限更高10分贝。

如表5所示，汇总了租用和购买自己的EMI预遵从性测试设置的成本。此外，表6演示了您自己的ESD预遵从性测试设置的“租用与购买”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	~ 2万至3.5万美元	EMI
EMI天线，三脚架和电缆	600美元	~ 8 k美元	EMI
EMI帐篷	4000美元	1万到3万美元(1）	EMI
近场探测	200美元	300元至2000元	EMI
总成本	6500美元	3.9万至7.5万美元

表5注意事项:

1. 总成本取决于帐篷的大小和增加的选项。

图5-相关标准概述

描述	每月租金	Est.购买价格	EMC测试类型
防静电枪	500美元	1万到1.5万美元	防静电
地平面	N/A	200美元(1）	防静电
总成本	500美元	~ 1万到1.5万美元

表6注意事项:

1. 所显示的成本是在五金店购买材料来建造地面平面

回顾表2和表3，当我们从场景一的成本(91,000美元)中减去场景二的成本(43,000美元)时，就得到了48,000美元的差额。节省的48,000美元超过了表5或表6所示的基本EMI预合规设置的费用．换句话说，EMC预遵从性测试设置的投资回报是立竿见影的，并且设置在第一个项目开发工作中就能收回成本。更不用说，场景二所显示的190万美元的收入节省的投资回报率是EMC预合规测试设置的好几倍。

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，我们最近推出的产品在EMC实验室测试方面的总成本超过70,000美元。机器人第一次被运送到EMC测试实验室时，我们通过了包括辐射发射(EMI)、ESD和辐射抗扰度在内的所有测试。在这种情况下，我们非常有信心能够通过测试，因为我们已经在工程设施中完成了EMC预遵从性测试的多次迭代。这意味着我们不仅按时发布了，而且还提前进行了合规性测试。在之前使用EMI预合规测试设置的其他示例中，我们能够将产品开发计划缩短3个月，以解决非常复杂的EMC问题并推出我们的产品。

设置示例

下面显示的图8和9提供了泰华施开发并用于进行内部EMC预合规测试的测试设置示例。对于图8，应该注意的是，接地面与接地端接。如图9所示，在Select Fabricators EMI帐篷中用ESRP3测量的环境噪声底，在所有校正因子打开的情况下，比B类准峰值(30mhz至1ghz)低约10dB。图9所示的生物天线来自AH系统(MPN: SAS-521-4)，可以测量从25 MHz到4 GHz，这涵盖了EMI测试(由FCC, RED等定义)从30 MHz到1 GHz的最关键测量范围。对于水平极化和垂直极化，天线校正因子是相同的。正因为如此，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，以便进行新的测量。

我们使用第三方EMI实验室来验证我们的EMI测试装置通常比认证的EMI测试装置高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，以补偿我们看到测量delta的频率。最终，通过EMI测试设置，我们确信，如果我们处于或低于各自的限制，我们将通过第三方实验室的场外EMI测试，与准峰值限制相差3dB至5dB。

此外，通过ESD测试设置，我们还非常有信心地知道，如果我们通过了内部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EMI辐射排放预合规示例设置

如何在内部对emc进行故障排除?

如今，有多个供应商可以向工程师提供客户解决方案或样品，以帮助他们在内部解决EMC问题。这些供应商可以帮助各种解决方案的原型快速测试公司的产品。图10快速描述了市场上可用的一些解决方案。重点是，内部研发工程师可以更容易地使用这些工具，以使他们能够成功地缓解问题。

在新产品开发周期中，总是存在未知因素。需要问的问题是，你的工程团队应该如何准备，敏捷地开发这些复杂的产品?内部EMC预遵从性测试可以提供一种更快速、更敏捷的方法来缓解这些问题。此外，内部EMC预遵从性测试可以为重复的产品生命周期工作或产品功能更新节省成本，还可以为您的研发开发工作带来巨大的回报，并立即实现ROI。

参考文献