高铁7·23甬温线特别重大铁路交通事故引发的电磁兼容的思考

2011年7月23日20时34分，北京至福州的D301次列车行驶至温州市双屿路段时，与杭州开往福州的D3115次列车追尾，导致D301次1、2、3列车厢侧翻，从高架桥上掉落，毁坏严重，4车厢悬挂桥上，D3115次15、16车厢损毁严重。 截至7月29日，事故已造成40人死亡,200多人受伤。40名遇难者身份确认，其中有两名外籍人士。D301次列车司机当场死亡，胸口被车闸刺穿，可以推论司机通过肉眼看到前面的列车时，做过刹车的处理，但是已经来不及了。事故原因（铁道部公布）是因为温州南的信号指示灯遭雷劈，导致本来应该是显示红灯，而错误升级显示为绿灯。值班人员对事故的敏感度不强，酿成这场事故。 

     我司技术工程师和相关人员在电磁兼容行业从业也有6年的从业经历，由于职业敏感，总觉得可能与产品的可靠性设计有关，所有发表《7·23甬温线特别重大铁路交通事故引发的电磁兼容的思考》。一个电子电气产品是否稳定可靠主要取决于产品的可靠性设计，其包含了 电磁兼容 （ EMC ，即产品的抗干扰能力和对外产生的干扰），安全，环境适应性（高低温，湿热，盐雾，振动，冲击等）等技术指标。就当前中国的电子电气产品设计技术来说，欠缺的就是可靠性，产品可靠性设计成为产品质量的瓶颈。可靠性领域中最难的就属电磁兼容，暂不考虑高铁和动车设备对外的干扰，任何一个应用在高铁和动车设备中电子电气产品在应用中不可避免的会经受各种干扰，如雷击，静电放电，射频电磁场干扰，电网中由于感性负载切换时产生的各种瞬态脉冲干扰等，如果一个产品不具备抵抗这种干扰的能力，这个产品只能成为一个用来参观的样机。在产品的实际应用周期中，这种干扰没有办法避免，唯一能做的是将所设计的产品的抗干扰能力提高，使其表现出较高的抗干扰能力，在干扰中正常“生存”。像高铁 动车属于运动性的室外工作设备，其工作换进恶劣，多变，抗干扰能力的设计显的更加重要。如动车宣称有防撞监测系统，请问：“这个系统能在雷电产生的瞬间正常工作吗？”

本人在可靠性其中一领域—电磁兼容领域工作多年，长期从事电磁兼容理论和工程的研究，对国内当前企业和单位的EMC设计水平略知一二。 鉴于此，特发此文，让高铁和动车相关电子设计者参考。同时，以下内容也可成为分析一些工程EMC问题自检表，或者说当前的高铁和动车电子控制部分的设计在以下所及内容部分是否已做好？

2、EMC设计技术与管理的发展与现状
鉴于中国的技术发展时间和阶段，目前大多数企业对 EMC技术 的掌握和应用还处于初级阶段。可以大胆的说，高铁电子部分的设计水平也只是处在这个阶段，具体表现如下：
•    工程师大多没有接受过系统的全面的EMC培训经历。 
•    企业内部没有一套针对EMC设计流程或方法，产品EMC性能的好坏完全取决于个别产品开发人员的素质和经验，同时设计成本也很高。 
•    企业没有一套对EMC性能负责的责任体系，没有专职的EMC专家或设计工程师。
•    由于目前业界的大部分EMC书籍、教学资料、培训太偏向与EMC理论，导致企业中的开发工程师即使学习过很多EMC知识，如滤波、接地、屏蔽等原理，但是面对实际的产品，往往难以下手。
所以，如果有“专家”说：“我们设计的高铁 动车是安全的”，那么请问：你的依据是什么？ 你做了各种抗干扰测试，并且通过？还是在设计过程中进行的仔细的风险评估？你的设计团队是有分析各种干扰问题的能力？还是否掌握了产品电磁兼容设计的技巧？笔者认为没有。
从产品开发过程来说，要解决EMC问题的最根本方法就是，企业必须学会对其所设计的产品进行：
(1)    设计中进行EMC风险评估
(2)    设计后进行大量的测试；
(3)    安装时进行现场指导；
如果从设计的EMC风险评估看，可以从如下几方面进行： 
(1)    “产品的EMC测试计划制定”
(2)    “产品机械结构构架设计的EMC风险评估”；
(3)    “单板设计的EMC风险评估”；
(4)    “电路原理图设计的EMC风险评估” ；
(5)    “PCB布局布线”；
企业中，产品设计的EMC风险评估通常需要由企业中的EMC专家、顾问或经过该方法专业培训产品系统工程师担任。企业如果有了正确的EMC风险评估手段，就可以清楚的看到现有产品设计在EMC方面存在的优点、缺陷与风险，从而在产品设计中解决EMC问题的隐患。

3 产品机械结构构架设计的EMC风险分析
3.1 产品的系统接地与浮地
产品的接地（一定要3.2中表述的合理接地，不然接地会成为反作用，而恶化产品EMC性能）可以将外界干扰在到达产品内部电路之前导入大地（当一个控制系统应用在高铁车厢时，其接地就是接车厢金属部件），使内部电路免受干扰影响，并将产品内部电路产生的EMI噪声电流在流向I/O之前，导入大致，避免产品EMI问题的发生。因此，产品系统是否接地（或接机箱），对产品的EMC风险非常重要，系统接地将大大降低产品的EMC风险，因此应该尽量避免浮地系统的存在。除非有一个很好的金属平面与该产品的电路直接连接或通过Y电容连接，使大部分共模电流通过金属板流动。也许这一点对于特定的产品来说是一句空话，因为对于很多特定的产品，由于应用环境的限制，设计工程师并不能选择其是否接地。但是作为EMC分析，设计者必须清楚，当你设计的产品为浮地产品时，EMC风险也随之增大。
产品系统应尽量避免浮地。如果采用浮地，则应记下这个风险点。
3.2 产品系统接地位置和方式
产品接地的第一大问题就是接地点的位置，当一块电路板放置于金属外壳后，电路板的接地问题即为电路板和外壳之间的连接位置，连接位置需要定义在I/O端口附近，而且必须通过电容或导体实现电路板的工作地与金属外壳之间的互联。
如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
EMC意义上的产品系统的接地线的尺寸应该至少具有10cm长,并具有长宽比小于5的低阻抗金属. 安规意义上的黄绿PE接地线,不符合EMC的要求,因为其在高频下阻抗较大,寄生电感约10nH/cm。这样产品系统接地端子的设计必须具有接较宽的接地线的能力，如编织铜带。
如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
3.3 工作地和大地（保护地或机壳地）之间的连接点的位置（直接或通过Y电容接）
产品接地（接保护地或机壳地）的目的是为了让干扰（共模电流）流向大地，因此，产品内部工作地与大地之间的连接位置必须要能避免共模电流流过产品内部电路板的工作地平面或扁平电缆等内部互连电缆，而且接地点的位置必要靠近注入共模干扰电流的I/O口，不合理的连接点位置将引入共模电流的干扰。
如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
如，产品内部工作地与大地之间接地点选择在电路板中I/O口的另一侧，则将导致严重的EMC问题，这时就必须使用两个接地点，或将I/O口组合在电路板的一侧。

3.4 输入输出端口连接器在产品中或在电路板中的位置
按照共模电流在产品内部流动的规律，那些流过共模电流的连接器应该集中放置在一个电路板的同一侧,这样可以不使共模电流流过整个电路板及其工作地(GND), 分散的在电路板中放置连接器将导致共模电流流过产品内部电路，这意味着EMC风险的增加.设计者在设计产品中输入输出端口连接器在电路板中的位置时，必须满足以上描述要求，如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
3.5 印制电路板之间的互连、互连线和连接器处理
电路板之间互连线（如排线、扁平电缆）中的每一根工作信号参考地地线和互连连接器中的工作信号参考地地线通常具有较高的阻抗, 在共模电流流过时,会在互连地线上产生较大的压降。该压降往往是对产品产生干扰的原因。同样，互连线上的高速信号回流产生的压降是产品产生EMI问题的主要原因。 因此对于直接接地的设备或通过Y电容接地的设备， 必须保证产品中的排线和或产品内部互连与各个电路板之间的连接器应避免有共模电流流过。
对于浮地设备,共模电流的路径通常由产品对地,及各个部分电路部分之间的寄生电容决定,所以很难做到共模电流不流过排线和或产品内部互连与各个电路板之间的连接器。因此对于浮地设备,如果设备中若存在排线等扁平电缆或类似互连电缆和连接器,并且排线扁平电缆或类似互连电缆和连接器中有以上定义的共模电流流过时，那么:
-    对于连接器来说,必须把连接器中的地与连接器的金属外壳在互连线的两端直接相连或通过电容相连；
-    对于排线扁平电缆或类似互连电缆来说必需有地平面存在；
-    或者所有连接器和排线中的信号需要做滤波处理；
如果以上措施均不能执行,那么必须重新设计互连线和连接器在产品中的位置, 使共模电流不流过互连线和连接器,如取消互连线,将所有电路集中到一个电路板中。否则就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
3.6 屏蔽
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。也就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。
以下情况下需要对PCB及内部互连电缆进行屏蔽或局部屏蔽处理:
-产品中存在流过共模电流的电缆距离PCB板或内部互连电缆10cm以内;
-内部时钟工作电路的频率在20MHz以上,并且PCB和内部互连电缆的最大尺寸超过电路工作频率波长的1/100;
-内部时钟等工作电路的周期信号频率的倍频真好落在辐射发射测试要求的极地限值线的频段内,(如船运标准中的156MHz~165MHz之间3m处的辐射限值为仅为24dBuV/m);
-存在精度小于10mV的模拟电路(可以局部屏蔽) 。
如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
3.7 电缆类型及屏蔽电缆屏蔽层的连接方式
产品中所有外部输入输出非屏蔽电缆中的信号都要进行滤波处理。屏蔽电缆的屏蔽层必须在连接器入口处与接地的金属板或金属连接器外壳相连，并做360度搭接或与浮地系统中GND相连。EMC专家应该对实际电缆屏蔽层的连接方式进行描述，并给出改进方案。对于电缆屏蔽的连接方式，如果从风险的概念来评估，据经验，30MHz 以上的频率下，蔽层电缆具有零长度的“Pigtail”，则没有风险；1cm长度的“Pigtail”存在30％风险；3cm长度的“Pigtail”存在50％风险；5cm长度的“Pigtail”存在70％风险。
如果不能做到这一点 就必须给出足够的理由，并记下这个风险点。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。
就目前应用的高铁 动车，请问其中应用的电子产品，能通过这些风险的评估吗？

4 原理图设计的EMC风险
产品电路原理图的设计是产品设计核心，对原理图设计的EMC风险分析目的是为了指出现有原理图存在EMC问题，通过修改最大限度的降低EMC风险，降低设计成本。电路原理图的分析是建立对原理图中的电路进行划分的基础上,通过分析将电路原理图分成:
•    “脏”的部分,；
•    “干净”的部分；
•    滤波去耦的部分；
•    需要做特殊处理的部分

图 电路原理图的EMC分析原理
图所示的电路原理图的EMC分析原理，其中“脏”或噪声区域的部分通常是电路中的I/O部分或产品的壳体。在这些I/O端口或壳体上需要进行EMC测试,EMC干扰需要从这些I/O口注入,这些电路是产品中受干扰最严重,最直接的部分。如产品的ESD放电点、电源端口的电路,通信端口的电路, 其它输入输出口的电路, 通常,这些电路不能直接延伸到内部干净的电路区域，其间需要包含至少具有一个以上器件（如电容）组成的滤波器或滤波电路与其配合使用,滤波电路包括共模滤波和差模滤波。对于接地产品，共模滤波是必须的。在有些不能使用共模滤波的情况下（如产品浮地），就要保证PCB设计时，在共模电流干扰路径上的地平面完整，以降低共模电流流过时产生的压降，不然就需要在地阻抗较高区域的信号线上加电容进行滤波。
“干净”区域的电路部分,是不受外接直接干扰的或与内部噪声源干扰的部分电路, 在电路中其通常位于滤波电路之后, 也是电路中需要保护的部分. 如A/D.D/A转换电路, 检测电路,CPU核心电路等,。
滤波、去耦及隔离区域的电路: 是介于干净电路部分与脏电路部分之间的,完成对“干净”电路和“脏”的电路的隔离, 以保护保护”干净”的电路,将干扰滤除,或将产品内部特殊噪声电路、或敏感电路隔离在其它电路之外。滤波电路通常至少有一个或多个电容组成。通常还会包括电感、磁珠、电阻等器件。
内部噪声电路、敏感电路的区域中是一些需要做特殊处理的部分，它是电路中比较特殊的部分,通常特殊电路包括两方面电路,第一是及其敏感的电路,如复位电路,低电压、低电流检测电路、 低电压模拟电路、高输入阻抗电路等,这些电路不像其它普通数字电路一样具有相对较高抗干扰能力, 对于这些敏感电路,除了进行像普通电路一样滤波去耦处理之外,还有必要进行一些其它的额外处理,如二级滤波, 屏蔽, 对其信号线进行包地 等处理。第二种是内部电路的噪声源, 对这部分电路的处理主要是为了降低噪声源的电平,并将其隔离于“天线”之外。 如电路中的晶振和时钟电路,常用的措施有屏蔽, 去耦, 对其信号线进行包地 等。
在PCB布线布局的时候,各个电路部分之间的串扰也是着重需要考虑的。请问高铁 和动车设备的设计，你做到了吗？。

5、PCB设计和风险评估
PCB风险评估的目的是为了检查PCB设计者是否将EMC专家给出的PCB布局布线建议落实。纵然将全部PCB布局布线的建议会有很大的困难，但是通过审查，EMC专家与CAD的专家一起能找到一种比较折中的方法，这种折中的方法，不但能使EMC风险降低，而且还能顺利实现PCB布局布线。在PCB审查结果中，EMC专家需要把一些未落实的或实际实现与建议不一致的现象一一列出，这将有助于产品在EMC测试时，定位分析。一一列出的内容,其主要包括如下两个方面：
- 共模电流流过路径上的阻抗，如地平面是否完整性，是否没有任何过孔、裂缝和开槽。
-“脏”信号印制线及一些需要进行特殊处理的信号印制线与其它信号线之间的串扰问题。

希望相关高铁和动车电子部分的设计工程师参考和自检，已最终提高高铁和动车的安全性和稳定性，保护人民生命和财产安全。