物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的低成本EMI/EMC預(yù)一致性測(cè)試

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中的EMI/EMC問(wèn)題，本文以基于USB接口的RSA306實(shí)時(shí)頻譜分析儀進(jìn)行EMI預(yù)一致性分析測(cè)試為例，就如何進(jìn)行IoT的EMI/EMC測(cè)試進(jìn)行分析。

　　萬(wàn)物互聯(lián)在帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)，也帶來(lái)了許多的挑戰(zhàn)。在廣泛應(yīng)用于WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，電磁干擾和電磁兼容(EMI/EMC)問(wèn)題變得非常突出。為此，世界各地都制訂了不同的EMI法規(guī)(如FCC、ETSI、IC和KCC等)和EMI/EMC實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，以改善IoT設(shè)備的可靠性;此外，隨著各種高速接口的大量應(yīng)用和混合信號(hào)處理電路的應(yīng)用，IoT設(shè)備的EMI環(huán)境變得更具挑戰(zhàn)性。而另一方面，IoT硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目工程師在有效使用混合信號(hào)測(cè)試工具的經(jīng)驗(yàn)方面也面臨著挑戰(zhàn)(如圖1所示)。

物聯(lián)網(wǎng)全面開(kāi)發(fā)測(cè)試驗(yàn)證工具

　　產(chǎn)品最終的應(yīng)用目的(是家庭使用、汽車(chē)使用或者是工廠(chǎng)環(huán)境使用?是中國(guó)國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售還是出口到歐美?)決定了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)測(cè)試驗(yàn)證工具需要遵循的規(guī)范，而需要遵循的EMI規(guī)范又決定了需要的測(cè)試工作。此外，不同行業(yè)對(duì)EMI規(guī)范的定義也有所不同。

　　傳統(tǒng)的EMI一致性測(cè)試是窮盡式測(cè)試，耗時(shí)較長(zhǎng)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最終階段發(fā)生EMI測(cè)試失敗可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的重新設(shè)計(jì)成本，并會(huì)耽誤產(chǎn)品上市;此外，在認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行全面一致性測(cè)試成本可能會(huì)很高(每天的費(fèi)用在1,000~3,000美元)。為了不影響產(chǎn)品的上市周期及最大限度降低成本，預(yù)一致性測(cè)試通常會(huì)用在早期階段進(jìn)行一致性問(wèn)題檢測(cè)。這將大大提高通過(guò)全面EMI一致性測(cè)試的成功概率，而不需要額外的重新設(shè)計(jì)，從而有效地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期;另外，預(yù)一致性測(cè)試設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和規(guī)劃，可以成為設(shè)計(jì)調(diào)試中的重要工具。

　　泰克科技一直以來(lái)堅(jiān)持將業(yè)界廣受歡迎的信號(hào)分析軟件擴(kuò)展到多個(gè)平臺(tái)應(yīng)用的策略，這讓工程師能夠獲得相同的測(cè)試界面，同時(shí)也使他們能夠在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多新功能特性的測(cè)試。泰克先后基于MDO4000B和SignalVu-PC電腦推出了WiFi分析功能，并增加了對(duì)藍(lán)牙的測(cè)試功能。他們將會(huì)穩(wěn)步地發(fā)布新軟件，所有新的功能都將在SignalVu軟件上以及任何可以運(yùn)行該軟件的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)前的功能和未來(lái)將會(huì)實(shí)現(xiàn)的功能都將在RSA5000、RSA6000以及泰克所有基于Windows平臺(tái)的示波器上實(shí)現(xiàn)。這意味著在采用SignalVu軟件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所有分析平臺(tái)都會(huì)有相同的外觀(guān)以及使用體驗(yàn)。如圖2所示，泰克科技測(cè)試產(chǎn)品組幫助工程師輕松應(yīng)對(duì)包括實(shí)時(shí)頻譜分析、802.11xx 分析、藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)分析、蜂窩調(diào)制分析和EMI 預(yù)一致性分析等IoT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的各種信號(hào)分析挑戰(zhàn)。

使用頻譜分析儀執(zhí)行低成本EMI預(yù)一致性測(cè)試

　　RSA306實(shí)時(shí)頻譜分析儀(如圖3所示)是一款適合EMI預(yù)一致性測(cè)試的測(cè)試解決方案，特別適合IoT應(yīng)用中對(duì)簡(jiǎn)便操作和經(jīng)濟(jì)性的要求。這些功能特性覆蓋了當(dāng)前的大部分主流IoT應(yīng)用。該頻譜分析儀支持9kHz~6.2 GHz頻率范圍，可捕捉高達(dá)40MHz帶寬的射頻信號(hào)。如IEEE802.11n的無(wú)線(xiàn)通訊信號(hào)，對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍為-160 dBm至+20 dBm的通訊信號(hào)，可檢測(cè)的最小持續(xù)時(shí)間可達(dá)到100us;免費(fèi)標(biāo)配SignalVu-PC的功能，包括幅度、頻率、相位隨時(shí)間的變位，I /Q信號(hào)分量隨時(shí)間的變位、頻譜、瀑布圖和AM/FM/PM調(diào)制信號(hào)的分析等。

　　在預(yù)一致性測(cè)試中放射輻射測(cè)量和傳導(dǎo)輻射測(cè)量是兩項(xiàng)非常重要的測(cè)試項(xiàng)目，它們很大限度地減少了產(chǎn)品通過(guò)EMI認(rèn)證所需的費(fèi)用和時(shí)間。我們將通過(guò)兩個(gè)實(shí)測(cè)案例分析基于RSA306實(shí)現(xiàn)放射輻射和傳導(dǎo)輻射測(cè)試方法。

　　1.放射輻射測(cè)量分析

　　該放射輻射測(cè)量分析案例中，使用的是一米和幾厘米兩種距離。降低被測(cè)設(shè)備(DUT)與測(cè)試天線(xiàn)之間的距離會(huì)提高DUT信號(hào)強(qiáng)度與RF背景噪聲之比，但近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果并不會(huì)直接轉(zhuǎn)換成EMI一致性測(cè)試中使用的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào)。因此，在得出結(jié)論時(shí)必須慎重增加預(yù)放以提升相對(duì)DUT 信號(hào)電平。

　　測(cè)量中使用了三臺(tái)成本非常低的PC板對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)和一臺(tái)雙錐天線(xiàn)。這些天線(xiàn)安裝在三腳架上，放置簡(jiǎn)便。天線(xiàn)因數(shù)(AF) 和電纜損耗可以輸入到RSA306，校正場(chǎng)強(qiáng)。雙錐天線(xiàn)用于接收20 - 200 MHz頻率的信號(hào)，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)要求較大的天線(xiàn)，由于其中包括許多無(wú)線(xiàn)廣播頻率，因而，背景噪聲也可能是一個(gè)問(wèn)題。

　　在把天線(xiàn)校正因數(shù)和電纜損耗輸入RSA306后，打開(kāi)峰值檢測(cè)器電源，設(shè)置極限行;調(diào)節(jié)極限行，使之適應(yīng)測(cè)試環(huán)境。在打開(kāi)DUT電源前，一定要評(píng)估和分析測(cè)試環(huán)境特性(如圖5(a)所示)，從而確定在極限行和環(huán)境噪底之間是否有足夠的信號(hào)空間、是否有可以降低的已知信號(hào)以及是否需要把測(cè)試設(shè)置移到更安靜的環(huán)境。

　　如果對(duì)背景噪聲滿(mǎn)意，打開(kāi)DUT電源，兩項(xiàng)測(cè)量之差即為來(lái)自DUT的輻射(如圖5(b)所示)。在本案例測(cè)試中，使用已經(jīng)通過(guò)EMI一致性測(cè)試的泰克WiFi演示電路板，沒(méi)有檢測(cè)到失敗。如果已經(jīng)正確設(shè)置測(cè)試，沒(méi)有什么東西接近極限行，那么這可能意味著已經(jīng)可以準(zhǔn)備進(jìn)行一致性測(cè)試;如果在這個(gè)階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那么可能要求進(jìn)一步診斷和修改設(shè)計(jì)。RSA306上提供了一致性測(cè)量，同時(shí)也支持診斷，熟悉DUT設(shè)計(jì)的工程師可以進(jìn)一步確定問(wèn)題信號(hào)。

　　2. 傳導(dǎo)輻射測(cè)量分析

　　圖6為傳導(dǎo)輻射測(cè)量設(shè)置的方框圖，被測(cè)器件是筆記本電腦使用的通用AC/DC電源適配器。很多IoT電子產(chǎn)品的預(yù)一致性測(cè)試與此相似。

　　傳導(dǎo)輻射測(cè)量分析時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

　　1)由于LISN放電可能會(huì)損壞頻譜分析儀前端，因而，一定要先從LISN上斷開(kāi)頻譜分析儀的輸入，然后再?gòu)腖ISN中拔下電源;

　　2)在傳導(dǎo)輻射測(cè)量中，使用的是LISN而不是天線(xiàn)。LISN是一種低通濾波器，放在A(yíng)C或DC 電源與DUT 之間，可以創(chuàng)建已知阻抗，提供一個(gè)RF 噪聲測(cè)量端口。它還把不想要的RF 信號(hào)與電源隔開(kāi)。同時(shí)，增加一個(gè)預(yù)放也是提升相對(duì)DUT 信號(hào)電平的好方法;

　　3)另外，50 Hz或60Hz電源上傳導(dǎo)的干擾對(duì)某些設(shè)計(jì)可能也是一個(gè)問(wèn)題。大多數(shù)傳導(dǎo)EMI測(cè)試規(guī)定了9 kHz~1 GHz 實(shí)測(cè)頻率范圍，但在需要時(shí)也可以在更低頻率上測(cè)量信號(hào)。

　　對(duì)于低頻測(cè)量，泰克RSA5100 系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以覆蓋直到1 Hz以下的頻率范圍。為較有效地測(cè)量傳導(dǎo)EMI。可以使用兩個(gè)LISN：一個(gè)用于DUT 的規(guī)定阻抗，一個(gè)用于頻譜分析儀或接收機(jī)。

　　對(duì)于傳導(dǎo)測(cè)量，背景噪聲來(lái)自于電源。盡管LISN提供了一定的隔離度，但需要額外的功率濾波。本案例測(cè)量通過(guò)增加電源濾波器，把進(jìn)入的噪聲降低到足夠低的水平來(lái)進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)量。首先，我們把LISN校正因數(shù)輸入RSA306，打開(kāi)峰值檢測(cè)器電源，設(shè)置極限行。在打開(kāi)DUT 電源前，一定要評(píng)估和分析測(cè)試環(huán)境特性。極限行與噪底之間是否有足夠的空間?是否需要增加功率濾波器?如果您對(duì)背景噪聲滿(mǎn)意，打開(kāi)DUT電源，按該順序把LISN輸出連接到頻譜分析儀上。兩項(xiàng)測(cè)量之差即為來(lái)自DUT的輻射。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。