排查EMI問題的必備實用性技巧

全世界幾乎所有政府都在嘗試控制他們國家生產(chǎn)的電子產(chǎn)品產(chǎn)生的有害電磁干擾（EMI）（見圖1）。為了向用戶提供一定的保護(hù)和安全等級，政府都會制訂涉及電子產(chǎn)品設(shè)計的非常特殊的一些規(guī)則和規(guī)定。

當(dāng)然這是好事。但這也意味著為了盡量減少他們的EMI特征并通過官方的EMI認(rèn)證測試，許多公司必須在產(chǎn)品設(shè)計和測試方面花費(fèi)大量的人力物力。壞消息是，即使采用了好的設(shè)計原理、選擇了高質(zhì)量的元件并且仔細(xì)地表征了產(chǎn)品，當(dāng)進(jìn)行一致性測試時，如果測試并不是所有階段都進(jìn)展順利，那么EMI故障仍有可能影響到產(chǎn)品的發(fā)布日程。

通常公司為了避免這樣的情景出現(xiàn)，會在設(shè)計和原型建立階段做一些“預(yù)先的一致性”測量。更好的做法是在產(chǎn)品發(fā)出去做一致性測試之前就能夠確定和修復(fù)潛在的EMI問題。

當(dāng)然，大多數(shù)公司的實驗室并不具備做絕對EMI測量所需的測試室條件。好消息是，無需復(fù)制測試室條件就確定和解決EMI問題是完全可行的。本文討論的一些技術(shù)可以幫助你減少一個產(chǎn)品在測試室進(jìn)行最終完整的EMC一致性評估時失敗的風(fēng)險。本文還舉了一個確定信號特征和一致性以便找出EMI發(fā)射源的例子。

圖1：信號中不斷變化的電壓和電流會產(chǎn)生電磁場。

理解EMI報告

在討論排查技術(shù)之前，介紹一下EMI測試報告是很有必要的。乍一看，EMI報告似乎直接提供了有關(guān)特定頻率點(diǎn)故障的信息，因此事情看起來很簡單，就是使用報告中的數(shù)據(jù)確定設(shè)計中的哪個元件包含問題源頻率，并特別加以注意，以便通過下一輪測試。然而，雖然許多測試條件在報告中是明確表示的，但一些需要考慮的重要事情可能并不那么明顯。在審查設(shè)計并試圖判斷問題源時，理解測試室如何生成這種報告是很有幫助的。

請看圖2所示的EMI測試報告，這份報告顯示大約90MHz處有個故障。

圖2：這份EMI測試報告顯示大約90MHz處有個故障。

圖3是對應(yīng)的列表數(shù)據(jù)報告，其中詳細(xì)列出了測試頻率、測量得到的幅度、校準(zhǔn)后的校正因子以及調(diào)整后的場強(qiáng)。然后將調(diào)整后的場強(qiáng)與下一欄中的指標(biāo)進(jìn)行比較，確定余量或超額量，顯示在最右欄。

在圖3所示的余量欄中，你可以看到有一個峰值超出了這個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在88.7291MHz處規(guī)定的極限，與規(guī)范相差-2.3。

圖3：這個列表數(shù)據(jù)對應(yīng)的是圖2，它顯示故障點(diǎn)位于88.7291MHz處，但有許多因素令人懷疑這是否是實際的頻率。

你完工了，是嗎？不，沒這么快。不要讓所有這些數(shù)字讓你相信這是問題EMI源的精確頻率。事實上，測試報告中給出的頻率很有可能不是實際的源頻率。國際無線電干擾特別委員會（CISPR）指出，在執(zhí)行輻射發(fā)射測試時，依據(jù)具體的頻率范圍必須使用不同的測試方法。每種范圍要求特定分辨率帶寬的濾波器和檢測器類型，如表1所示。濾波器帶寬決定了解析實際感興趣頻率的能力；這意味著頻率范圍在排查問題源好多方面會有變化。

表1：CISPR測試要求根據(jù)不同頻率范圍而有所變化，并影響頻率分辨率。

這里需要著重指出的是，對某些頻率范圍，CISPR測試要求提倡使用準(zhǔn)峰值（QP）這種檢測器類型，這將掩蓋實際頻率。通常EMI部門或外部實驗室一開始是使用簡單的峰值檢測器執(zhí)行掃描來發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域的。但當(dāng)所發(fā)現(xiàn)的信號超過或接近規(guī)定極限時，他們也執(zhí)行準(zhǔn)峰值測量。準(zhǔn)峰值是EMI測量標(biāo)準(zhǔn)定義的一種方法，用來檢測信號包絡(luò)的加權(quán)峰值。它根據(jù)信號的持續(xù)時間和重復(fù)率對信號進(jìn)行加權(quán)，以便對從廣播角度看解釋為“騷擾”的信號施加更多的權(quán)重。與不頻發(fā)的脈沖相比，發(fā)生頻率更高的信號將導(dǎo)致更高的準(zhǔn)峰值測量結(jié)果。換句話說，問題信號發(fā)生的越頻繁，問題信號的絕對幅度就越可能被準(zhǔn)峰值測量所屏蔽。

好消息是，峰值和準(zhǔn)峰值掃描對預(yù)先一致性測試來說仍然是有用的。圖4給出了一個峰值和準(zhǔn)峰值檢測的例子。圖中顯示了峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測中都能看到的脈寬為8μs、重復(fù)率為10ms的信號。結(jié)果準(zhǔn)峰值的檢測結(jié)果比峰值低了10.1dB。

圖4：峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測的比較。

需要記住的一個好規(guī)則是，準(zhǔn)峰值檢測值總是小于或等于峰值檢測值，永遠(yuǎn)不會大于峰值檢測值。因此你可以使用峰值檢測來開展你的EMI排查和診斷。你不需要達(dá)到與EMI部門或?qū)嶒炇覓呙柰瘸潭鹊木?，因為測量都是相對值。如果你的實驗室報告中的準(zhǔn)峰值檢測值表明，設(shè)計超過了3dB，峰值檢測值超過了 6dB，那么你就知道你需要的修復(fù)工作是將信號減小3dB或更多。

測試室為出EMI報告而開展的掃描通常是在特殊條件下進(jìn)行的，你的公司實驗室也許無法復(fù)制這些條件。舉例來說，待測設(shè)備（DUT）可能放在一個轉(zhuǎn)盤上，以便于從多個角度收集信號。這種方位角信息是很有用的，因為它能指示問題發(fā)生的DUT區(qū)域?；蛘逧MI測試室可能在校準(zhǔn)過的射頻房內(nèi)開展他們的測量，并報告作為強(qiáng)場的測量結(jié)果。

幸運(yùn)的是，你并不需要完全復(fù)制測試室的條件才能排查EMI測試故障。與在高度受控的EMI測試線上執(zhí)行的絕對測量不同，可以使用測試報告中的信息、深入理解用于產(chǎn)生報告的測量技術(shù)以及對待測設(shè)備周邊的相對觀察以隔離問題源并估計糾正有效性來開展問題的排查工作。

從哪里開始發(fā)現(xiàn)EMI輻射？

現(xiàn)在是把我們的目光專注到有害的EMI源上面的時候了。當(dāng)我們從EMI的角度看任何一款產(chǎn)品時，整個設(shè)計可以被看作是能量源和天線的一個集合。EMI問題的常見（但絕不是唯一）源包括：

●電源濾波器

●地阻抗

●沒有足夠的信號返回

●LCD輻射

●元件寄生參數(shù)

●電纜屏蔽不良

●開關(guān)電源（DC/DC轉(zhuǎn)換器）

●內(nèi)部耦合問題

●金屬外殼中的靜電放電

●不連續(xù)的返回路徑

為了確定一塊特定電路板上的能量源以及位于特定EMI問題中心的天線，你需要檢查被觀察信號的周期。信號的射頻頻率是多少？是脈沖式的還是連續(xù)的？這些信號特征可以使用基本的頻譜分析儀進(jìn)行監(jiān)視。

你還需要查看巧合性。待測設(shè)備（DUT）上的哪個信號與EMI事件是同時發(fā)生的？一般常見的做法是用示波器探測DUT上的電氣信號。檢查EMI問題與電氣事件的巧合性無疑是EMI排查中最耗時間的工作。過去，將來自頻譜分析儀和示波器的信息以同步方式關(guān)聯(lián)在一起一直是很難做的一件事。

然而，混合域示波器（MDO）的推出使情況有了改觀，它能提供同步的而且與時間相關(guān)聯(lián)的觀察和測量功能。如圖5所示的這種儀器能夠相當(dāng)容易地讓我們觀察哪個信號與哪個EMI事件同時發(fā)生，從而可以簡化EMI排查過程。

圖5：混合域示波器（MDO）將頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀組合在一臺儀表內(nèi)，可以從全部三臺儀器中產(chǎn)生同步的而且與時間關(guān)聯(lián)的測量結(jié)果。圖中顯示的是泰克公司的MDO4000B。

MDO將混合信號示波器的功能和頻譜分析儀的功能整合在一起。借助這種組合，你能夠自動顯示模擬信號特征、數(shù)字時序、總線事務(wù)以及射頻并在這些信息基礎(chǔ)上實現(xiàn)觸發(fā)。一些MDO還能捕獲或觀察頻譜和時域軌跡，包括射頻幅度對時間、射頻相位對時間以及射頻頻率對時間的關(guān)系曲線。射頻幅度與時間軌跡如圖6所示。

圖6：這張圖顯示了MDO提供的時間關(guān)聯(lián)觀察功能，圖中顯示了射頻幅度與時間的關(guān)系軌跡。

近場探測開展相對測量

雖然一致性測試過程設(shè)計用于產(chǎn)生絕對的校準(zhǔn)過的測量，但排查工作很大程度上可以使用從待測設(shè)備發(fā)生的電磁場的相對測量方法。更有甚者，你可以使用MDO 的頻譜分析儀功能和射頻通道探測近場中的波阻行為，從而找出能量源來。與此同時，你可以用示波器某個模擬通道上的無源探針探測信號，以便發(fā)現(xiàn)與射頻關(guān)聯(lián)的信號。

不過首先你得了解一些有關(guān)待探測的電磁場區(qū)的一些背景知識。圖7顯示了處于近場和遠(yuǎn)場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區(qū)。從圖中可以看到，在近場區(qū)中，場的范圍可以從占主導(dǎo)地位的磁場到占主導(dǎo)地位的電場。在近場中，非輻射行為是主導(dǎo)的，因此波阻取決于源的性質(zhì)和距源的距離。而在遠(yuǎn)場中，阻抗是固定不變的，測量不僅取決于在近場中可觀察到的活動，而且取決于天線增益和測試條件等其它因素。

圖7：這張圖顯示了近場和遠(yuǎn)場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區(qū)。近場測量可用于EMI排查。

近場測量是可用于EMI排查的一種測量，因為它不要求測試站點(diǎn)提供專門的條件就能讓你查出能量源。然而，一致性測試是在遠(yuǎn)場中進(jìn)行的，而不是近場。你通常不會使用遠(yuǎn)場，因為有太多的變量讓它變得復(fù)雜起來：遠(yuǎn)場信號的強(qiáng)度不僅取決于源的強(qiáng)度，而且取決于輻射機(jī)制以及可能采取的屏蔽或濾波措施。根據(jù)經(jīng)驗需要記住，如果你能觀察遠(yuǎn)場中的信號，那么應(yīng)該能看到近場中的相同信號。（然而，能觀察到近場中的信號而看不到遠(yuǎn)場中的相同信號是很可能的）

近場探針實際上就是設(shè)計用于拾取磁場（H場）或電場（E場）變化的天線。一般來說，近場探針沒有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因此它們適合用于相對測量。如果你對用于測量H場和E場變化的探針不熟悉，那么最好了解一些近場探針設(shè)計和最佳使用方法：

H場（磁場）探針具有獨(dú)特的環(huán)路設(shè)計，如圖8所示。重要的是，H場探針的方向是有利于環(huán)路平面與待測導(dǎo)體保持一致的，這樣布置的環(huán)路可以使磁通量線直接穿過環(huán)路。

圖8：將H場探針與電流流向保持一致可以使磁場線直接穿過環(huán)路。

環(huán)路大小決定了靈敏度以及測量面積，因此在使用這類探針隔離能量源時必須十分小心。近場探針套件通常包含許多不同的環(huán)路大小，以便你使用逐漸減小的環(huán)路尺寸來縮小測量面積。

H場探針在識別具有相對大電流的源時非常有用，比如：

●低阻抗節(jié)點(diǎn)和電路

●傳輸線

●電源

●端接導(dǎo)線和電纜

E場（電場）探針用作小型單極天線，并響應(yīng)電場或電壓的變化。在使用這類探針時，重要的是你要保持探針垂直于測量平面，如圖9所示。

圖9：將E場探針垂直于導(dǎo)體放置以便觀察電場。

在實際應(yīng)用中，E場探針最適合查找非常小的區(qū)域，并識別具有相對高電壓的源以及沒有端接的源，比如：

●高阻抗節(jié)點(diǎn)和電路

●未端接的PCB走線

●電纜

在低頻段，系統(tǒng)中的電路節(jié)點(diǎn)阻抗可能變化很大；此時要求一定的電路或?qū)嶒炛R，以確定H場或E場能否提供最高的靈敏度。在較高頻段，這些區(qū)別可能非常顯著。在所有情況下，開展重復(fù)性的相對測量很重要，這樣你就能肯定因為實現(xiàn)的任何變化引起的近場輻射結(jié)果能被精確再現(xiàn)。最重要的是，每次試驗改變時近場探針的布局和方面要保持一致。

跟蹤EMI輻射源

在這個例子中，小型微控制器的EMI掃描指示有一個超限故障似乎來自于中心頻率約為144MHz的寬帶信號。借助MDO的頻譜分析儀功能，第一步是將H場探針連接到射頻輸入端，用相對的近場測量定位能量源。

如上所述，重要的一點(diǎn)是H場探針的方向要讓環(huán)路平面與待測導(dǎo)體保持一致。在PCB周圍移動H場探針，你就可以定位能量源。通過選擇逐漸縮小孔徑的探針，你可以將搜索定位在一個較小的區(qū)域內(nèi)。

一旦定位到明顯的能量源，如圖10所示的射頻幅度與時間軌跡就能顯示這個范圍內(nèi)所有信號的完整的功率與時間關(guān)系。利用這個軌跡線可以清楚地看到顯示屏中有一個大的脈沖。移動頻譜時間使其通過記錄長度，很明顯可以看到EMI事件（中心位于140MHz左右的寬帶信號）直接對應(yīng)于這個大脈沖。為了使測量穩(wěn)定下來，打開射頻功率觸發(fā)器，然后增加記錄長度以判斷這個射頻脈沖發(fā)生的頻度。為了測量脈沖重復(fù)周期，打開測量標(biāo)記并直接判斷周期。

圖10：MDO的射頻幅度與時間軌跡（上圖）顯示在140MHz處有一個顯著的脈沖。頻譜圖形（下圖）顯示了這個脈沖的頻率內(nèi)容。

明確斷定EMI源的下一步是利用MDO的示波器功能。保持相同的設(shè)置，打開示波器的模擬通道1，瀏覽PCB以尋找與EMI事件同時發(fā)生的信號源。

在利用示波器探針瀏覽信號一段時間后，就可以發(fā)現(xiàn)圖11所示的信號：在這個案例中是一個電源濾波器。從顯示屏上可以清晰地看到，連接示波器通道1的信號與EMI事件直接相關(guān)?，F(xiàn)在就可以制訂EMI修復(fù)計劃了，以便在開展認(rèn)證測試之前解決這個問題。

圖11：使用示波器模擬通道上的無源探針找出與射頻關(guān)聯(lián)的信號。

本文小結(jié)

不能通過EMI一致性測試可能將產(chǎn)品開發(fā)計劃置于風(fēng)險之中。然而，預(yù)先一致性測試可以幫助你在到達(dá)這個階段之前排除EMI問題。與高度受控的EMI測試線中的絕對測量不同，你可以使用EMI測試報告中的信息開展相對測量，并用它來隔離問題源，并估計修復(fù)效果。

高效的EMI排查一般是利用近場探測方法尋找相對高的電磁場，判斷它們的特征，然后使用混合域示波器將場活動與電路活動關(guān)聯(lián)在一起來判斷EMI源。本文概述的排查技術(shù)可以有效地幫助你隔離有害的能量源，以便于你在將設(shè)計提交給EMI認(rèn)證之前修復(fù)這個問題。