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          EEPW首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 使用近場(chǎng)探頭和電流探頭進(jìn)行EMI干擾排查

          使用近場(chǎng)探頭和電流探頭進(jìn)行EMI干擾排查

          作者: 時(shí)間:2024-05-27 來源:鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù) 收藏

          在開發(fā)電子產(chǎn)品的過程中,電磁干擾EMI(Electro Magnetic Interference)是工程師們不得不考慮的問題。電磁干擾(EMI)可能會(huì)導(dǎo)致許多問題,尤其是在產(chǎn)品開發(fā)階段或產(chǎn)品驗(yàn)收階段。如果電路設(shè)計(jì)受到電磁干擾的影響,可能會(huì)出現(xiàn)亂碼顯示,數(shù)據(jù)接觸不良或者是其他線路故障。為了最大限度地減少電磁干擾的影響,各個(gè)國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)都制定并實(shí)施了針對(duì)各個(gè)產(chǎn)品類型的EM輸出的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn),一般我們稱為電磁兼容性(EMC)測(cè)試。所有電子相關(guān)的產(chǎn)品在上市前必須強(qiáng)制性通過電磁兼容性測(cè)試。

          許多EMC兼容測(cè)試失敗的原因主要來源于電路中的射頻能量泄漏和電路板設(shè)計(jì)本身的相互影響。引起這種干擾的電場(chǎng)和磁場(chǎng)肉眼是不可見的,并且當(dāng)我們想要深究其原因以期能最小化EMI影響時(shí),往往會(huì)發(fā)現(xiàn),問題是非常復(fù)雜的。

          是什么導(dǎo)致了這個(gè)問題?
          造成輻射干擾的信號(hào)或能量來源在哪里?
          我該如何解決?
           
          好在,我們可以通過一些簡(jiǎn)單的工具和技術(shù)來幫助識(shí)別源。一旦確定了干擾源,我們就可以開始著手解決問題。那么怎么去找出干擾源呢?我們需要用到一種技術(shù),這種技術(shù)不是嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)EMC兼容測(cè)試,而是一種預(yù)測(cè)試,它可以幫助我們快速找到干擾源可能存在的地方,并且不需要昂貴的專業(yè)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室裝置。
          在本篇應(yīng)用指南中,我們將介紹一些常用的預(yù)兼容測(cè)試相關(guān)的技術(shù),例如使用來查找可能的EMI泄漏源。此項(xiàng)技術(shù)可以快速地識(shí)別問題,有效地節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。此外,通過一些小小的家具,就可以創(chuàng)建出可重復(fù)的測(cè)試站來關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以在你下一款產(chǎn)品進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)提供很有價(jià)值的參考。
           
          需要注意的是,預(yù)一致性測(cè)試旨在于幫助識(shí)別和解決可能會(huì)阻礙EMC認(rèn)證的問題,并不能完全替代認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的EMC合規(guī)測(cè)試。

           

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202405/459196.htm
          2、電磁輻射基礎(chǔ)知識(shí)
           
          電磁輻射最常見的產(chǎn)生方式是導(dǎo)體中電流的突變或者電壓的驟升,輻射的路徑通過PCB走線,器件的引腳,連接器或者是其它的金屬介質(zhì),包括機(jī)箱,機(jī)架或者是產(chǎn)品的外殼。電磁輻射實(shí)際上是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用,相互影響。它常常被這樣描述:正交時(shí)變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的傳播,如下圖1 所示。
          左上角是電磁波的傳播,注意,電場(chǎng)和磁場(chǎng)是互相正交的
          圖1 圖左上角是電磁波的傳播,注意,電場(chǎng)和磁場(chǎng)是互相正交的
           由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)
          圖2  由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)
          和磁場(chǎng)不一樣,電場(chǎng)由移動(dòng)或者靜止的電荷產(chǎn)生。因此,當(dāng)在散熱片或金屬外殼等諸如此類導(dǎo)電體的表面上產(chǎn)生電磁輻射時(shí),電場(chǎng)產(chǎn)生的輻射會(huì)居于主導(dǎo)地位。電場(chǎng)產(chǎn)生的影響也傾向于遠(yuǎn)離源(遠(yuǎn)場(chǎng))。某些環(huán)境因素如無(wú)線電臺(tái),wifi或者是人為的射頻干擾信號(hào),都使得遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量,比如說某個(gè)兼容測(cè)試中的信號(hào)發(fā)射部分的測(cè)量,要求測(cè)量者擁有比進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量更復(fù)雜的設(shè)備和更豐富的知識(shí)。
           
          通過測(cè)量由導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的幅值和頻率,我們可以找出最可能導(dǎo)致問題的區(qū)域。

           
          3、設(shè)備清單
           
          以下是一些用于近場(chǎng)故障排除的基礎(chǔ)設(shè)備清單:
          頻譜儀/EMI接收機(jī): 測(cè)量相對(duì)于頻率的RF功率。頻譜儀的最高輸入頻率應(yīng)該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小,RBW不低于10kHz。
          鼎陽(yáng)的最高輸出頻率為2.1GHz的頻譜儀SSA3021X
          圖3 鼎陽(yáng)的最高輸出頻率為2.1GHz的頻譜儀SSA3021X
          :購(gòu)買或者手工自制。分為磁場(chǎng)和電場(chǎng)近場(chǎng)探頭。

          :購(gòu)買或自制。

          50歐姆同軸線纜:使用與近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀RF輸入口相匹配的線纜。如果需要的話,探頭,同軸線纜,連接器可以同時(shí)配套購(gòu)買。

          探頭:因?yàn)槿祟惖娜庋蹮o(wú)法直接看到電磁波,所以我們需要借助一些工具輔助測(cè)量?;叵胍幌挛覀儎倓偺岬降?,導(dǎo)體中的移動(dòng)電荷產(chǎn)生輻射到整個(gè)空間的電磁場(chǎng)。我們可以通過測(cè)量電磁場(chǎng)功率值來衡量電路中的感應(yīng)電壓,從而間接地測(cè)量出源電場(chǎng)的強(qiáng)度。在EMI故障排除的過程中,最常用到的兩種探頭是近場(chǎng)探頭和電流鉗。

          近場(chǎng)探頭和電流鉗具有類似的原理。 流過探針的“環(huán)路”區(qū)域的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電壓(圖4)。環(huán)形區(qū)域越大,磁通量就越大,因此更適合尋找一些小信號(hào)。但是小的環(huán)形區(qū)域提供更好的空間分辨率(從而可以更精確地找到問題點(diǎn))。許多測(cè)試工具中的探頭都有多種環(huán)尺寸(見圖5),從而幫助用戶更好地實(shí)現(xiàn)靈敏度和空間分辨率之間的平衡。
           
          電場(chǎng)探頭通常不會(huì)有一個(gè)環(huán)形的區(qū)域。用他們獲得電場(chǎng)信息的方法更像是單極天線。與磁場(chǎng)探頭一樣,電場(chǎng)探針旋轉(zhuǎn)與否不影響測(cè)量結(jié)果,但與信號(hào)源的距離是非常重要的影響因素。
           
          以下是探頭的使用指南:

          關(guān)閉被測(cè)設(shè)備,觀察頻譜儀的測(cè)量值,測(cè)出本底輻射。注意,任何可能由環(huán)境或者本底輻射引起的的射頻干擾都要關(guān)注。如果在屏蔽良好的實(shí)驗(yàn)室中,這個(gè)問題可能不是很大,但在普通的實(shí)驗(yàn)室中,一定要提前測(cè)得環(huán)境中存在的本底干擾。

          探頭的擺放,通信端口終端,以及機(jī)器外殼的接縫、通風(fēng)口等,這些都是在測(cè)試中容易出現(xiàn)問題的地方。
          電場(chǎng)或磁場(chǎng)的探頭離信號(hào)源近一點(diǎn)會(huì)測(cè)得更高幅值。

          磁場(chǎng)探頭放置的方向垂直于磁場(chǎng)會(huì)比平行于磁場(chǎng)測(cè)得更高的數(shù)據(jù)。

          因?yàn)樵谥貜?fù)的實(shí)驗(yàn)中探頭的位置是比較重要的,因此把一個(gè)不導(dǎo)電的夾具(如木頭,塑料)固定在被測(cè)設(shè)備上,那么探頭就可以使用了。記住,探頭的位置和放置方向是十分重要的,一點(diǎn)點(diǎn)的位置偏差或者一點(diǎn)點(diǎn)的角度偏差都會(huì)在對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)引起很大的誤差。
          磁場(chǎng)探頭的擺放和角度影響被測(cè)設(shè)備測(cè)得幅值磁場(chǎng)探頭的擺放和角度影響被測(cè)設(shè)備測(cè)得幅值
          圖4 磁場(chǎng)探頭的擺放和角度影響被測(cè)設(shè)備測(cè)得幅值
           一組具備不同空間分辨率的近場(chǎng)探頭
          圖5 一組具備不同空間分辨率的近場(chǎng)探頭
          使用近場(chǎng)探頭對(duì)PCB板進(jìn)行輻射測(cè)量
          圖6 使用近場(chǎng)探頭對(duì)PCB板進(jìn)行輻射測(cè)量
          電子設(shè)備中的線纜和連接器都需要被屏蔽并且接地正確,因?yàn)樗鼈兪呛芎玫奶炀€,導(dǎo)體外部的微小的電流變化就很容易造成探測(cè)到的輻射量超過電磁兼容測(cè)試設(shè)定的限值。電流鉗和頻譜儀配合使用可以了解到線纜和連接器產(chǎn)生電磁輻射的原因。

          電流鉗和近場(chǎng)探頭的原理類似我們可以直接從商家購(gòu)買或把線圈纏在鐵夾和BNC連接器上自己制作(如圖7所示)。把電流鉗靠近待測(cè)的線纜,同時(shí)把它連接到頻譜儀的輸入端口,把頻譜儀的頻率調(diào)到設(shè)定的范圍。
          一個(gè)手工制作的電流鉗
          圖7 一個(gè)手工制作的電流鉗
          以下是探頭的一些使用指南:

          如果不能確定輸入信號(hào)的大小,可以在測(cè)量之前給頻譜儀的RF輸入端加一個(gè)外置的衰減器。電源線或者其它高功率的應(yīng)用可能會(huì)影響頻譜儀RF輸入端口的靈敏度。
          測(cè)量所有可能和被測(cè)設(shè)備連接的線纜。包括電源線,USB線,網(wǎng)線等。(如圖8)
          測(cè)量一個(gè)連接到示波器的USB線的射頻干擾
          圖8 測(cè)量一個(gè)連接到示波器的USB線的射頻干擾
          電流鉗,尤其是手工自制的,對(duì)環(huán)境中的RF信號(hào)特別敏感,這可能使得你測(cè)到的信號(hào)是不準(zhǔn)確或者是錯(cuò)誤的。先連接所有的電纜,探頭等,然后通過關(guān)閉被測(cè)設(shè)備來測(cè)得環(huán)境中的RF信號(hào),然后把這個(gè)本底數(shù)據(jù)和打開被測(cè)設(shè)備時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)相比較,從而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這對(duì)于循環(huán)多次測(cè)試不斷變化的環(huán)境中的被測(cè)設(shè)備的RF信號(hào)來說也是一個(gè)好辦法。
           由電流鉗測(cè)得的環(huán)境中的RF信號(hào)軌跡(黃色);以及打開DUT時(shí)
          圖9 由電流鉗測(cè)得的環(huán)境中的RF信號(hào)軌跡(黃色);以及打開DUT時(shí)
          的信號(hào)軌跡(紫色)

          如果你的RF測(cè)量實(shí)驗(yàn)失敗了,那么從出現(xiàn)錯(cuò)誤的頻率以及產(chǎn)生這些頻率的基波開始著手尋找問題。

           
          4、檢查和評(píng)價(jià)
           
          在使用探頭檢測(cè)到的信號(hào)干擾可能并不是真實(shí)的干擾數(shù)據(jù),但是通過觀察分析測(cè)量結(jié)果,對(duì)比被測(cè)設(shè)備的前后狀態(tài)等方法,用戶可以更快的進(jìn)行故障排除。
          以下是一些可參的實(shí)驗(yàn)技巧,可以幫助我們觀察更多實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié):
          大多數(shù)的頻譜儀不具有預(yù)選器。如果你是用一個(gè)不配備預(yù)選器的頻譜儀,你觀察到的峰值可能不是真實(shí)的。由于帶外信號(hào)和待測(cè)信號(hào)混合在一起,沒有預(yù)選器的頻譜儀很可能會(huì)觀測(cè)到一個(gè)假峰。
          你需要通過外加一個(gè)衰減器(可以3dB或者10dB)測(cè)試一下這個(gè)峰值的有效性,真實(shí)的峰值會(huì)隨著衰減量下降。如果峰值下降的量大于外加衰減的量,那么這個(gè)峰值很可能是一個(gè)假峰。把這個(gè)假峰標(biāo)注出來和兼容測(cè)試中得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。你也可以使用預(yù)選器或者EMI接收器,但是這些配件對(duì)于大多數(shù)快速測(cè)試來說是成本高昂的。

          圖10 是一個(gè)典型的峰值測(cè)試實(shí)驗(yàn),黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的,紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的,這種情況下,峰值下降的量和所添加的衰減量是一致的。這有助于確認(rèn)該峰值是真峰而不是帶外信號(hào)的產(chǎn)物。
          使用頻譜儀的標(biāo)記功能對(duì)兩次掃描結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的
          圖10 使用頻譜儀的標(biāo)記功能對(duì)兩次掃描結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的,紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的
           
          一些具有最大軌跡類型保持功能的頻譜儀將會(huì)連續(xù)的保存每次頻率掃描的最大值,你可以把一個(gè)單軌作為“清除寫入”(你可以打開一條跡線為“清除寫入”狀態(tài)),來表現(xiàn)射頻信號(hào),然后把另一條設(shè)置為最大保持。這使得你可以比較被測(cè)設(shè)備在最壞的情況下的收集的數(shù)據(jù)的變化,并且使用最大保持功能“固定”它們。
          可以使用標(biāo)記和峰值表功能去清楚的找出峰值頻率和幅值。
          打開標(biāo)記功能和峰值表功能的頻譜儀SSA3000X的界面
          圖11 打開標(biāo)記功能和峰值表功能的頻譜儀SSA3000X的界面
          5、結(jié)論
           
          1.磁場(chǎng)由流動(dòng)的電流產(chǎn)生。使用磁場(chǎng)近場(chǎng)探頭靠近導(dǎo)線或回路去甄別電磁輻射。
          2.電場(chǎng)由流動(dòng)的電流或者靜電荷產(chǎn)生。使用電場(chǎng)近場(chǎng)探頭在金屬平面(例如散熱器,機(jī)箱,顯示屏的邊界或者是機(jī)殼的縫隙等)去甄別電磁輻射。
          3.使用電流鉗去甄別潛在的輻射和從線纜和連接器泄漏的諧振。
          4.顯示屏,機(jī)殼的縫隙,帶狀線纜和通信端口及總線是最可能導(dǎo)致輻射泄漏的地方。
          5.用導(dǎo)電帶或鋁箔包裹住可能產(chǎn)生電磁泄漏的部分,并確認(rèn)包裹是接地的,再次掃描被包住的地方的是否減輕了。
          6.連接不良的電纜和連接器也會(huì)導(dǎo)致輻射問題。
          7.通過給被測(cè)器件斷電并觀察頻譜儀上的輸出,可以多次測(cè)量環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在測(cè)量中要標(biāo)注出任何的變化以及它們所帶來的潛在的影響。
          通過一些簡(jiǎn)單的設(shè)備,你可以在室內(nèi)進(jìn)行預(yù)兼容測(cè)試, 這會(huì)最大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,降低設(shè)計(jì)成本,以及減少下一代產(chǎn)品研發(fā)過程中的反復(fù)測(cè)量次數(shù)。




          評(píng)論


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