正確排查EMI問(wèn)題的四大實(shí)用性技巧
全世界幾乎所有政府都在嘗試控制他們國(guó)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(jí)，政府都會(huì)制訂涉及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的非常特殊的一些規(guī)則和規(guī)定。
圖1 信號(hào)中不斷變化的電壓和電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)
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(guò)官方的EMI認(rèn)證測(cè)試，許多公司必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)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(jì)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(cè)試時(shí)，如果測(cè)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(huì)在設(shè)計(jì)和原型建立階段做一些“預(yù)先的一致性”測(cè)量。更好的做法是在產(chǎn)品發(fā)出去做一致性測(cè)試之前就能夠確定和修復(fù)潛在的EMI問(wèn)題。
當(dāng)然，大多數(shù)公司的實(shí)驗(yàn)室并不具備做絕對(duì)EMI測(cè)量所需的測(cè)試室條件。好消息是，無(wú)需復(fù)制測(cè)試室條件就確定和解決EMI問(wèn)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(gè)產(chǎn)品在測(cè)試室進(jìn)行最終完整的EMC一致性評(píng)估時(shí)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。本文還舉了一個(gè)確定信號(hào)特征和一致性以便找出EMI發(fā)射源的例子。
01 理解EMI報(bào)告
在討論排查技術(shù)之前，介紹一下EMI測(cè)試報(bào)告是很有必要的。乍一看，EMI報(bào)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(lái)很簡(jiǎn)單，就是使用報(bào)告中的數(shù)據(jù)確定設(shè)計(jì)中的哪個(gè)元件包含問(wèn)題源頻率，并特別加以注意，以便通過(guò)下一輪測(cè)試。然而，雖然許多測(cè)試條件在報(bào)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(jì)并試圖判斷問(wèn)題源時(shí)，理解測(cè)試室如何生成這種報(bào)告是很有幫助的。
請(qǐng)看圖2所示的EMI測(cè)試報(bào)告，這份報(bào)告顯示大約90MHz處有個(gè)故障。
圖2 這份EMI測(cè)試報(bào)告顯示大約90MHz處有個(gè)故障
圖3是對(duì)應(yīng)的列表數(shù)據(jù)報(bào)告，其中詳細(xì)列出了測(cè)試頻率、測(cè)量得到的幅度、校準(zhǔn)后的校正因子以及調(diào)整后的場(chǎng)強(qiáng)。然后將調(diào)整后的場(chǎng)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(gè)峰值超出了這個(gè)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(gè)列表數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)際的頻率
你完工了，是嗎？不，沒(méi)這么快。不要讓所有這些數(shù)字讓你相信這是問(wèn)題EMI源的精確頻率。事實(shí)上，測(cè)試報(bào)告中給出的頻率很有可能不是實(shí)際的源頻率。
國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）指出，在執(zhí)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，依據(jù)具體的頻率范圍必須使用不同的測(cè)試方法。每種范圍要求特定分辨率帶寬的濾波器和檢測(cè)器類型，如表1所示。濾波器帶寬決定了解析實(shí)際感興趣頻率的能力；這意味著頻率范圍在排查問(wèn)題源好多方面會(huì)有變化。
表1 CISPR測(cè)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(duì)某些頻率范圍，CISPR測(cè)試要求提倡使用準(zhǔn)峰值（QP）這種檢測(cè)器類型，這將掩蓋實(shí)際頻率。通常EMI部門或外部實(shí)驗(yàn)室一開始是使用簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器執(zhí)行掃描來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域的。
但當(dāng)所發(fā)現(xiàn)的信號(hào)超過(guò)或接近規(guī)定極限時(shí)，他們也執(zhí)行準(zhǔn)峰值測(cè)量。準(zhǔn)峰值是EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定義的一種方法，用來(lái)檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)的加權(quán)峰值。它根據(jù)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)率對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，以便對(duì)從廣播角度看解釋為“騷擾”的信號(hào)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(hào)將導(dǎo)致更高的準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果。換句話說(shuō)，問(wèn)題信號(hào)發(fā)生的越頻繁，問(wèn)題信號(hào)的絕對(duì)幅度就越可能被準(zhǔn)峰值測(cè)量所屏蔽。
好消息是，峰值和準(zhǔn)峰值掃描對(duì)預(yù)先一致性測(cè)試來(lái)說(shuō)仍然是有用的。圖4給出了一個(gè)峰值和準(zhǔn)峰值檢測(cè)的例子。圖中顯示了峰值檢測(cè)和準(zhǔn)峰值檢測(cè)中都能看到的脈寬為8μs、重復(fù)率為10ms的信號(hào)。結(jié)果準(zhǔn)峰值的檢測(cè)結(jié)果比峰值低了10.1dB。
圖4 峰值檢測(cè)和準(zhǔn)峰值檢測(cè)的比較
需要記住的一個(gè)好規(guī)則是，準(zhǔn)峰值檢測(cè)值總是小于或等于峰值檢測(cè)值，永遠(yuǎn)不會(huì)大于峰值檢測(cè)值。因此你可以使用峰值檢測(cè)來(lái)開展你的EMI排查和診斷。你不需要達(dá)到與EMI部門或?qū)嶒?yàn)室掃描同等程度的精度，因?yàn)闇y(cè)量都是相對(duì)值。如果你的實(shí)驗(yàn)室報(bào)告中的準(zhǔn)峰值檢測(cè)值表明，設(shè)計(jì)超過(guò)了3dB，峰值檢測(cè)值超過(guò)了 6dB，那么你就知道你需要的修復(fù)工作是將信號(hào)減小3dB或更多。
測(cè)試室為出EMI報(bào)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(shí)驗(yàn)室也許無(wú)法復(fù)制這些條件。舉例來(lái)說(shuō)，待測(cè)設(shè)備（DUT）可能放在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，以便于從多個(gè)角度收集信號(hào)。這種方位角信息是很有用的，因?yàn)樗苤甘締?wèn)題發(fā)生的DUT區(qū)域?；蛘逧MI測(cè)試室可能在校準(zhǔn)過(guò)的射頻房?jī)?nèi)開展他們的測(cè)量，并報(bào)告作為強(qiáng)場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。
幸運(yùn)的是，你并不需要完全復(fù)制測(cè)試室的條件才能排查EMI測(cè)試故障。與在高度受控的EMI測(cè)試線上執(zhí)行的絕對(duì)測(cè)量不同，可以使用測(cè)試報(bào)告中的信息、深入理解用于產(chǎn)生報(bào)告的測(cè)量技術(shù)以及對(duì)待測(cè)設(shè)備周邊的相對(duì)觀察以隔離問(wèn)題源并估計(jì)糾正有效性來(lái)開展問(wèn)題的排查工作。
02 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(shí)候了。當(dāng)我們從EMI的角度看任何一款產(chǎn)品時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)可以被看作是能量源和天線的一個(gè)集合。EMI問(wèn)題的常見（但絕不是唯一）源包括：
電源濾波器、地阻抗、沒(méi)有足夠的信號(hào)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(wèn)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(wèn)題中心的天線，你需要檢查被觀察信號(hào)的周期。信號(hào)的射頻頻率是多少？是脈沖式的還是連續(xù)的？這些信號(hào)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(cè)設(shè)備（DUT）上的哪個(gè)信號(hào)與EMI事件是同時(shí)發(fā)生的？一般常見的做法是用示波器探測(cè)DUT上的電氣信號(hào)。檢查EMI問(wèn)題與電氣事件的巧合性無(wú)疑是EMI排查中最耗時(shí)間的工作。過(guò)去，將來(lái)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(shí)間相關(guān)聯(lián)的觀察和測(cè)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(gè)信號(hào)與哪個(gè)EMI事件同時(shí)發(fā)生，從而可以簡(jiǎn)化EMI排查過(guò)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(tái)儀表內(nèi)，
可以從全部三臺(tái)儀器中產(chǎn)生同步的而且與時(shí)間關(guān)聯(lián)的測(cè)量結(jié)果。
圖中顯示的是泰克公司的MDO4000B
MDO將混合信號(hào)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(dòng)顯示模擬信號(hào)特征、數(shù)字時(shí)序、總線事務(wù)以及射頻并在這些信息基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。一些MDO還能捕獲或觀察頻譜和時(shí)域軌跡，包括射頻幅度對(duì)時(shí)間、射頻相位對(duì)時(shí)間以及射頻頻率對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線。射頻幅度與時(shí)間軌跡如圖6所示。
圖6 這張圖顯示了MDO提供的時(shí)間關(guān)聯(lián)觀察功能
圖中顯示了射頻幅度與時(shí)間的關(guān)系軌跡
03 用近場(chǎng)探測(cè)開展相對(duì)測(cè)量
雖然一致性測(cè)試過(guò)程設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生絕對(duì)的校準(zhǔn)過(guò)的測(cè)量，但排查工作很大程度上可以使用從待測(cè)設(shè)備發(fā)生的電磁場(chǎng)的相對(duì)測(cè)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(cè)近場(chǎng)中的波阻行為，從而找出能量源來(lái)。與此同時(shí)，你可以用示波器某個(gè)模擬通道上的無(wú)源探針探測(cè)信號(hào)，以便發(fā)現(xiàn)與射頻關(guān)聯(lián)的信號(hào)。
不過(guò)首先你得了解一些有關(guān)待探測(cè)的電磁場(chǎng)區(qū)的一些背景知識(shí)。圖7顯示了處于近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中的波阻行為以及兩者之間的過(guò)渡區(qū)。從圖中可以看到，在近場(chǎng)區(qū)中，場(chǎng)的范圍可以從占主導(dǎo)地位的磁場(chǎng)到占主導(dǎo)地位的電場(chǎng)。在近場(chǎng)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(chǎng)中，阻抗是固定不變的，測(cè)量不僅取決于在近場(chǎng)中可觀察到的活動(dòng)，而且取決于天線增益和測(cè)試條件等其它因素。
圖7 這張圖顯示了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中的波阻行為以及兩者之間的過(guò)渡區(qū)
近場(chǎng)測(cè)量可用于EMI排查。
近場(chǎng)測(cè)量是可用于EMI排查的一種測(cè)量，因?yàn)樗灰鬁y(cè)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(cè)試是在遠(yuǎn)場(chǎng)中進(jìn)行的，而不是近場(chǎng)。你通常不會(huì)使用遠(yuǎn)場(chǎng)，因?yàn)橛刑嗟淖兞孔屗兊脧?fù)雜起來(lái)：遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)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?yàn)V波措施。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要記住，如果你能觀察遠(yuǎn)場(chǎng)中的信號(hào)，那么應(yīng)該能看到近場(chǎng)中的相同信號(hào)。（然而，能觀察到近場(chǎng)中的信號(hào)而看不到遠(yuǎn)場(chǎng)中的相同信號(hào)是很可能的）
近場(chǎng)探針實(shí)際上就是設(shè)計(jì)用于拾取磁場(chǎng)（H場(chǎng)）或電場(chǎng)（E場(chǎng)）變化的天線。一般來(lái)說(shuō)，近場(chǎng)探針沒(méi)有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因此它們適合用于相對(duì)測(cè)量。如果你對(duì)用于測(cè)量H場(chǎng)和E場(chǎng)變化的探針不熟悉，那么最好了解一些近場(chǎng)探針設(shè)計(jì)和最佳使用方法：
H場(chǎng)（磁場(chǎng)）探針具有獨(dú)特的環(huán)路設(shè)計(jì)，如圖8所示。重要的是，H場(chǎng)探針的方向是有利于環(huán)路平面與待測(cè)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(guò)環(huán)路。
圖8：將H場(chǎng)探針與電流流向保持一致可以使磁場(chǎng)線直接穿過(guò)環(huán)路
環(huán)路大小決定了靈敏度以及測(cè)量面積，因此在使用這類探針隔離能量源時(shí)必須十分小心。近場(chǎng)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(lái)縮小測(cè)量面積。
H場(chǎng)探針在識(shí)別具有相對(duì)大電流的源時(shí)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(chǎng)（電場(chǎng)）探針用作小型單極天線，并響應(yīng)電場(chǎng)或電壓的變化。在使用這類探針時(shí)，重要的是你要保持探針垂直于測(cè)量平面，如圖9所示。
圖9：將E場(chǎng)探針垂直于導(dǎo)體放置以便觀察電場(chǎng)
在實(shí)際應(yīng)用中，E場(chǎng)探針最適合查找非常小的區(qū)域，并識(shí)別具有相對(duì)高電壓的源以及沒(méi)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(shí)要求一定的電路或?qū)嶒?yàn)知識(shí)，以確定H場(chǎng)或E場(chǎng)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(duì)測(cè)量很重要，這樣你就能肯定因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的任何變化引起的近場(chǎng)輻射結(jié)果能被精確再現(xiàn)。最重要的是，每次試驗(yàn)改變時(shí)近場(chǎng)探針的布局和方面要保持一致。
04 跟蹤EMI輻射源
在這個(gè)例子中，小型微控制器的EMI掃描指示有一個(gè)超限故障似乎來(lái)自于中心頻率約為144MHz的寬帶信號(hào)。借助MDO的頻譜分析儀功能，第一步是將H場(chǎng)探針連接到射頻輸入端，用相對(duì)的近場(chǎng)測(cè)量定位能量源。
如上所述，重要的一點(diǎn)是H場(chǎng)探針的方向要讓環(huán)路平面與待測(cè)導(dǎo)體保持一致。在PCB周圍移動(dòng)H場(chǎng)探針，你就可以定位能量源。通過(guò)選擇逐漸縮小孔徑的探針，你可以將搜索定位在一個(gè)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(shí)間軌跡就能顯示這個(gè)范圍內(nèi)所有信號(hào)的完整的功率與時(shí)間關(guān)系。利用這個(gè)軌跡線可以清楚地看到顯示屏中有一個(gè)大的脈沖。移動(dòng)頻譜時(shí)間使其通過(guò)記錄長(zhǎng)度，很明顯可以看到EMI事件（中心位于140MHz左右的寬帶信號(hào)）直接對(duì)應(yīng)于這個(gè)大脈沖。為了使測(cè)量穩(wěn)定下來(lái)，打開射頻功率觸發(fā)器，然后增加記錄長(zhǎng)度以判斷這個(gè)射頻脈沖發(fā)生的頻度。為了測(cè)量脈沖重復(fù)周期，打開測(cè)量標(biāo)記并直接判斷周期。
圖10：MDO的射頻幅度與時(shí)間軌跡（上圖）顯示
在140MHz處有一個(gè)顯著的脈沖。
頻譜圖形（下圖）顯示了這個(gè)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(shí)發(fā)生的信號(hào)源。
在利用示波器探針瀏覽信號(hào)一段時(shí)間后，就可以發(fā)現(xiàn)圖11所示的信號(hào)：在這個(gè)案例中是一個(gè)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(hào)與EMI事件直接相關(guān)?，F(xiàn)在就可以制訂EMI修復(fù)計(jì)劃了，以便在開展認(rèn)證測(cè)試之前解決這個(gè)問(wèn)題。
圖11：使用示波器模擬通道上的無(wú)源探針找出與射頻關(guān)聯(lián)的信號(hào)
05 小結(jié)
不能通過(guò)EMI一致性測(cè)試可能將產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃置于風(fēng)險(xiǎn)之中。然而，預(yù)先一致性測(cè)試可以幫助你在到達(dá)這個(gè)階段之前排除EMI問(wèn)題。與高度受控的EMI測(cè)試線中的絕對(duì)測(cè)量不同，你可以使用EMI測(cè)試報(bào)告中的信息開展相對(duì)測(cè)量，并用它來(lái)隔離問(wèn)題源，并估計(jì)修復(fù)效果。
高效的EMI排查一般是利用近場(chǎng)探測(cè)方法尋找相對(duì)高的電磁場(chǎng)，判斷它們的特征，然后使用混合域示波器將場(chǎng)活動(dòng)與電路活動(dòng)關(guān)聯(lián)在一起來(lái)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(jì)提交給EMI認(rèn)證之前修復(fù)這個(gè)問(wèn)題。
