EMI故障排除,一步一步

在本文中,我们将描述我们通常采取的步骤来排除前四个EMI问题,传导发射,辐射发射,辐射抗扰度和静电放电。

在本文中,我们将描述我们通常采取的步骤来排除前四个EMI问题,传导发射,辐射发射,辐射抗扰度和静电放电。其中,最后三个是最普遍的问题,辐射发射通常是第一个失败。如果您的产品或系统(EUT)具有足够的电源和I / O端口过滤,则传导发射和其他电力线相关的抗扰度测试通常不是问题。

为了方便起见,我们开发了一些推荐的用于故障排除EMI的设备列表。下载链接列在参考文献1中。


进行排放

这通常不是给出足够的电力线过滤的问题,但是许多低成本电源缺乏良好的过滤。一些“无名”品牌根本没有过滤功能!导电排放测试很容易运行,所以在这里你去。


设置频谱分析仪如下:
  1. 频率150 kHz至30 MHz
  2. 2.分辨率带宽= 10或9 kHz
  3. Preamp = Off
  4. 4.调整参考电平,以显示最高的谐波,并以10 dB的增量垂直刻度读数
  5. 5.最后使用平均检测和任何峰值上的CISPR检测
  6. 6.内部衰减 - 首先启动20至30 dB,并进行最佳显示调整,无分析仪过载。
  7. 7.将垂直单位设置为dBμV
我们也喜欢将水平刻度从线性设置为对数,因此频率更容易读出。

获得线路阻抗稳定网络(LISN),并将其置于被测产品或系统与频谱分析仪之间。注意下面的连接顺序!

注意 :在将LISN连接到分析仪之前,通常重要的是启动EUT。这是因为在上电时可能会发生大的瞬变,并可能潜在地破坏分析仪的敏感输入级。请注意,TekBox LISN具有内置的瞬态保护功能。不是全部都是...你被警告过!

启动EUT,然后将LISN的50欧姆输出端口连接到分析仪。请注意,谐波在较低频率下通常非常高,并向30 MHz逐渐减小。确保这些高次谐波不会超过分析仪。如果需要,增加额外的内部衰减。

通过将平均检测到的峰值与适当的CISPR限制进行比较,您将能够在正规合规测试之前判断EUT是否通过或失败。


环境变送器

您立即遇到的一个问题是,当在屏蔽室或半消声室外进行测试时,来自诸如FM和TV广播发射机,蜂窝电话和双向无线电等来源的环境信号的数量。当使用电流探头或外部天线时,这尤其是一个问题。我通常使用“最大保持”模式在分析仪上运行基线图,以建立复合环境图。然后,我将为实际测量激活附加痕迹。例如,我经常在屏幕上有三个绘图或痕迹;环境基线,“之前”图,以及应用了一些修复的“后”图。

通常,在特定谐波上,频谱分析仪上的频率范围更容易缩小到零,从而消除大多数环境信号。如果谐波是窄带连续波(CW),则降低分辨率带宽(RBW)也可以帮助将EUT谐波与附近的环境分开。只要确保减小RBW不会降低谐波幅度。

另外要注意的是,附近的发射机可能会影响测量信号的幅度精度,同时产生似乎是谐波的混合产物,但实际上是分析仪中发射机频率和混频器电路的组合。您可能需要使用所需谐波频率的外部带通滤波器来减少外部发射器的影响。虽然更昂贵,具有调谐预选择的EMI接收机比在高RF环境中的正常频谱分析仪更有用。 Keysight Technologies和Rohde&Schwarz将供应商考虑。所有这些技术在参考文献3中有更详细的描述。

辐射排放

这通常是最高的风险测试。设置频谱分析仪如下:

  1. 频率10〜500MHz
  2. 2.分辨率带宽= 100或120 kHz
  3. 3. Preamp = On(或者如果分析仪缺少此功能,请使用外部20 dB前置放大器)
  4. 4.调整参考电平,以显示最高的谐波,并以10 dB的增量垂直刻度读数
  5. 5.使用正峰检测
  6. 6.设置内部衰减=零

有时我喜欢将默认dBm的垂直单位设置为dBμV,因此显示的数字为正。这也是标准测试限制中使用的单位。我也喜欢将水平刻度从线性设置为对数,所以频率更容易读出。

我执行初始扫描高达500 MHz,因为这通常是数字谐波的最差情况。您还要记录排放量至少高达1GHz(或更高),以表征任何其他主要排放。一般来说,解决低频谐波也会降低高次谐波。


近场探测

大多数近场探头套件带有E场和H场探头。决定H场或E场探测取决于您是否将探测电流 - 即高di / dt(电路迹线,电缆等)或高电压 - EMI是dV / dt - (开关电源等)。两者都可用于定位屏蔽外壳中的接缝或间隙。

从较大的H型探头(图1)开始,并围绕产品外壳,电路板和连接的电缆嗅探。目的是确定主要的噪声源和特定的窄带和宽带频率。记录观察到的位置和主要频率。由于零源,您可能希望切换到较小直径的H场探头,这将提供更高的分辨率(但灵敏度较低)。

图1
图1.近场探头用于帮助识别潜在的排放源。
图2
图2. H型磁场探头提供了相对于电路迹线或电缆定向的最佳灵敏度,如图所示。图,PatrickAndré礼貌。

记住,并不是所有的高频能源都位于电路板上实际上会辐射!辐射需要某种形式的耦合到“天线状”结构,例如屏蔽外壳中的I / O电缆,电源线或接缝。

将谐波频率与已知的时钟振荡器或其他高频源进行比较。它将有助于使用由我的合着者PatrickAndré开发的时钟振荡器计算器。请参阅参考文献2中的下载链接。

当在电路板级应用潜在的修补程序时,请务必将近场探头放下,以减少探针尖端物理位置所遇到的变化。请记住,我们主要对相关更改感兴趣,因为我们应用修补程序。

此外,H型磁场探头当它们的平面与轨迹或电缆平行定向时是最敏感的(将耦合最大的磁通量)。最好将探头放置在与PC板平面成90度的位置。见图2。

电流探头接下来,使用高频电流探头(如Fischer Custom Communications型号F-33-1)或等效电阻(图3)测量附带的共模电缆电流(包括电源线)。记录顶部几个谐波的位置,并与由近场探测确定的列表进行比较。这些将最有可能实际辐射并导致测试失败,因为它们在天线状结构(电缆)上流动。使用制造商提供的传输阻抗校准图来计算特定频率下的实际电流。请注意,只有5至8μA的高频电流才能使FCC或CISPR测试限制失效。

图3
图3.使用电流探头测量在I / O和电源线上流动的高频电流。

将当前探头前后滑动以最大化谐波是个好主意。这是因为由于电缆上的驻波,一些频率会在不同的地方产生共鸣。

考虑到在电线或电缆中流动的电流,也可以预测辐射电场(V / m),假设长度在关注频率处电短路。对于长达200 MHz的长达1m的电缆,这已被证明是准确的。有关详细信息,请参阅参考3。


关于使用外部天线的注意事项

请注意,使用外部EMI天线时有两个不同的目标:

  1. 1.相对故障排除,您知道频率失败的地方,并需要减小振幅。不需要校准天线,因为只有相对的变化是重要的。我重要的是,来自EUT的谐波含量应该很容易看到。
  2. 2.合规前测试,您希望复制由合规性测试实验室使用的测试设置。也就是说,设置距离被测产品或系统3m或10m的校准天线,并提前确定是否通过或失败。

辐射排放的前期依从性测试

如果您希望建立一个预先符合性测试,(#2以上),然后给出距离EUT距离3m或10m距离的校准EMI天线,您可以通过录制电场来计算电场(dBμV/ m)频谱分析仪的dBμV读数和同轴电缆损耗,外部前置放大器增益(如果使用),任何外部衰减器(如果使用))和天线因子(来自制造商提供的天线校准)。然后可以使用以下公式将该计算直接与3m或10m辐射发射测试极限进行比较:

电场(dBμV/ m)= SpecAnalyzer(dBμV) - 前置放大(dB)+ CoaxLoss(dB)+衰减器Loss(dB)+ AntFactor(dB)

为了本文的目的,我将主要关注使用近距离天线(上述#1)进行故障排除的程序,以实际辐射谐波水平和测试潜在修复的一般特性。例如,知道您在某些谐波频率处可能会超过3 dB的极限,这意味着您的目标应该是将发射量减少6至10 dB,以获得足够的余量。

图1
图4.在排除原因的同时测量实际辐射发射的典型测试设置。


使用近距离天线进行故障排除

一旦产品的谐波曲线得到充分表征,现在是时候看到哪些谐波实际上辐射了。为此,我们使用距离被测产品或系统至少1米的天线来测量实际的排放(图4)。通常情况下,它将是附加的I / O或电源线的泄漏以及屏蔽外壳中的泄漏。将该数据与近场和当前探针的数据进行比较。现在可以确定所注意到的排放源的可能来源吗?

尝试通过逐个拆除电缆来确定电缆辐射是否是主要问题。您还可以尝试在一根或多根电缆上安装铁氧体扼流圈作为测试。使用近场探头来确定屏蔽外壳中的接缝或开口是否也会发生泄漏。

一旦识别出排放源,您可以使用您的过滤,接地和屏蔽知识来减轻排放问题。尝试确定产品内部到任何外部电缆的耦合路径。在某些情况下,可能需要通过优化层叠或通过消除跨越返回平面中的间隙的高速迹线来重新设计电路板。通过用距离一定距离的天线实时观察结果,相位应该很快。



常见问题

有一些产品设计领域可能会导致辐射排放:

  1. 电缆屏蔽端接不好是最重要的问题
  2. 2.泄漏产品屏蔽
  3. 3.内部电缆耦合到接缝或I / O区域
  4. 4.返回平面上的高速轨迹穿过间隙
  5. 次优层叠
有关可能导致排放故障的系统和PC板设计问题的更多详细信息,请参阅参考。

辐射免疫

大多数辐射抗扰度测试是从80到1000 MHz(或者在某些情况下高达2.7 GHz)进行的。常用测试级别为3或10 V / m。根据作业环境,军用产品可以高达50〜200 V / m。大多数产品的商业标准是IEC 61000-4-3,其测试设置非常重要。但是,使用一些简单的技术,您可以快速识别和解决大多数问题。

手持无线电对于辐射抗扰度,我们通常从EUT外部启动,并使用免授权的手持式发射机,例如家庭无线电服务(FRS)对讲机(或等效物)来确定弱点。通过将这些低功率无线电放在靠近被测产品或系统的地方,您通常会强制发生故障(图5)。

按住发射按钮,并在EUT周围运行无线电天线。这应包括所有电缆,接缝,显示端口等。

图5
图5.使用无许可证的变送器强制发生故障。

射频发生器

很常见的是,只有某些频段是易受影响的,有时固定频率手持无线电无效。在这种情况下,我使用可调节的RF发生器,附带的大尺寸H型磁场探头和探头周围已知的故障频率。它还有助于探测内部电缆和PC板以确定敏感区域。对于较小的产品,如图6所示,尝试使用较小的H场探针获得最佳物理分辨率。
图6
图6.使用RF发生器和H场探头确定灵敏度区域。

替代较大的实验室质量射频发生器,我还使用较小的USB控制RF合成器,例如与近场探头的Windfreak SynthNV(或等效的)。 SynthNV可以产生从34 MHz到4.4 GHz的高达+19 dBm的射频功率,所以效果很好。这也适合我的EMI故障排除工具包。参见图7.您将在参考文献1中找到推荐的生成器的列表。

图7
图7.使用小型合成RF发生器在探针尖端周围产生强烈的RF场

静电放电

使用IEC 61000-4-2标准中描述的测试设置,最好进行静电放电测试。这需要一定尺寸的测试台和接地平面。 EUT放置在测试台的中间。我通常建议用铜或铝4 x 8英尺的纸张替换地砖,这样可以适合现有瓷砖的空间(图8)。测试需要一个ESD模拟器,可从许多来源获得。参见参考文献1.我使用较小的KeyTek MiniZap,它相对较小,可以调整为+/- 15 kV。还有几种其他合适的(和较新的)设计。

图8
图8.根据IEC 6100-4-2的ESD测试设置。图片,由Keith Armstrong提供。

只要识别测试点,ESD测试就相当复杂,但基本上有两种测试 - 放气和接触放电。对于操作者可以触及EUT外部的所有点使用排气。对于所有暴露的金属,操作者可以接触和排出,使用接触放电。测试正极性和负极性。大多数商业测试需要4 kV接触放电和8 kV空气放电。

测试设置还包括水平和垂直耦合平面。使用接触放电尖端进入耦合平面。这些平面需要一个高阻抗放电路径到地面。有关详细信息和准确测试程序,请参阅IEC标准。


图9
图9.具有空气和接触放电尖端的典型ESD模拟器。它可以产生高达+/- 15 kV。

概要

通过开发您自己的EMI故障排除和预合规测试实验室,您可以通过内部移动故障排除过程节省时间和金钱,而不是根据商业测试实验室安排时间和相关成本和调度延迟。

大多数高风险的EMI测试都可以用低成本的设备进行。通过在您自己的设施进行故障排除,节省成本可能会增加数十万美元,数周或数月的产品延迟。


参考

EMI故障排除设备推荐清单 - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 时钟振荡器计算器(PatrickAndré) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2.André和Wyatt,“电磁干扰疑难解答产品设计师手册”,SciTech,2014。
  3. 3. Joffe and Lock,Grounds For Grounding,Wiley,2010
  4. 4.Ott,Electromagnetic Compatibility Engineering,Wiley,2009
  5. 5.Mardiguian,EMI Troubleshooting Techniques,McGraw-Hill,2000
  6. Montrose,EMC Made Simple,Montrose Compliance Services,2014
  7. 7.莫里森,接地和屏蔽 - 电路与干扰,Wiley,2016
  8. 8. Williams,EMC为产品设计师,Newnes,2017年


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