使用4、5和6系列混合信號示波器排除電磁干擾故障

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輻射發(fā)射是對輻射電磁場的測量，而傳導(dǎo)發(fā)射則是對被測產(chǎn)品、設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)出的傳導(dǎo)電磁干擾電流的測量。根據(jù)設(shè)備的設(shè)計工作環(huán)境，全球范圍內(nèi)對這些輻射的上限都有相應(yīng)限制。如今，包括無線和移動設(shè)備在內(nèi)的消費電子產(chǎn)品層出不窮，設(shè)備之間的兼容性變得更加重要。產(chǎn)品之間不得相互干擾（輻射或傳導(dǎo)發(fā)射），而且在設(shè)計上必須不受外部能源的影響。大多數(shù)國家現(xiàn)在都強制對產(chǎn)品進(jìn)行各類EMC標(biāo)準(zhǔn)測試。

EMI故障排除的三個步驟

許多產(chǎn)品設(shè)計師可能熟悉近場探頭如何用于識別PC板和電纜上的 EMI“熱點”，但可能不清楚接下來該怎么做。我們以泰克6系列混合信號示波器上的頻譜視圖為例進(jìn)行說明。下面是一個簡單的EMI故障排除三步流程。

第一步 使用近場探頭（H場或E場）識別PC板和內(nèi)部電纜上的能量源和特征發(fā)射特性。能量源通常包括時鐘振蕩器、處理器、RAM、D/A或A/D轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和其他產(chǎn)生高頻率、快速邊沿、數(shù)字信號的源。如果產(chǎn)品包括屏蔽外殼，則應(yīng)檢查其他接縫或孔隙是否有泄漏。記錄每個能量源的發(fā)射特性。

第二步 使用電流探頭測量高頻電纜電流。請記住，電纜是最可能輻射射頻能量的結(jié)構(gòu)。沿著電纜來回移動探頭，最大限度地獲取最高諧波電流。記錄每根電纜的發(fā)射特性。

第三步 使用附近的天線（通常是1米測試距離）來確定實際輻射的諧波信號。記錄這些諧波并與近場和電流探頭電纜測量進(jìn)行比較。這將幫助您確定最有可能與電纜或接縫耦合并輻射到天線的能量源。

步驟1-近場探測

大多數(shù)近場探測套件都配備了E場和H場探頭。選擇H場或E場探頭取決于您將要探測的是電流-即高di/dt-（電路走線，電纜等）還是電壓-即dV/dt-（開關(guān)電源等）。大多數(shù)故障排除都是使用H場探頭進(jìn)行的，因為我們通常對追蹤高頻次諧波電流感興趣。直徑較小的探頭分辨率較高，但可能需要前置放大器來增強其信號。然而，H場和E場探頭都可用于定位屏蔽外殼中的漏洞或間隙。

從較大的H場探頭開始，圍繞產(chǎn)品外殼、電路板和連接的電纜進(jìn)行嗅探。目標(biāo)是識別主要的電磁干擾源和主導(dǎo)的窄帶和寬帶頻率。記錄觀察到的位置和頻率特征。當(dāng)您鎖定干擾源時，不妨換用中等尺寸（1 厘米）的H場探頭（圖1），這將提供更高的分辨率（但稍微降低靈敏度）。您可能會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)探測最終都是使用這個探頭。

圖1 使用近場探頭有助于確定可能的輻射源

此外，請注意，當(dāng)H場探頭的平面與走線或電纜平行時，探頭的靈敏度最高（會耦合最多的磁通量）。最好將探頭放置在與PCB板平面成 90°的位置。請參見圖2。

圖2 H 場探頭在與電路走線或電纜的相對定位時提供最佳靈敏度，因為它們通過回路收集最大的磁通線

需要注意的是，不是所有位于電路板上有高頻能量源都會產(chǎn)生輻射！輻射需要與“天線狀”結(jié)構(gòu)（例如 I/O電纜、電源電纜或屏蔽外殼中的縫隙）某種形式的耦合。在電路板級別應(yīng)用潛在修復(fù)措施時，請務(wù)必用膠帶固定近場探頭，以減少探頭尖端的物理位置變化。我們主要關(guān)注在應(yīng)用修復(fù)措施時的相對變化。

步驟2-電流探頭測量

接下來，使用高頻電流探頭測量附加的共模電纜電流（包括電源電纜），例如Com Power CLCE-400 或同等產(chǎn)品（圖3）。記錄頂部幾個諧波的位置，并與近場探測確定的列表進(jìn)行比較。這些諧波最有可能會輻射并導(dǎo)致測試失敗，因為它們流經(jīng)類似天線的結(jié)構(gòu)（電纜）。

請注意，只需要5到8μA的高頻電流就能使FCC或CISPR B類測試失敗。使用制造商提供的傳輸阻抗校準(zhǔn)曲線將幫助您根據(jù)探頭端口處的分析儀電壓計算出電流。

圖3 使用電流探頭測量在 I/O 和電源電纜上流動的高頻電流

將電流探頭來回移動以最大化諧波是個好主意。這是因為電纜上的駐波會導(dǎo)致某些頻率在不同位置產(chǎn)生共振。還可以根據(jù)線纜中流動的電流來預(yù)測輻射的E場強度（V/m），前提是在相關(guān)頻率下長度為電短路。這在高達(dá)200MHz的頻率下對1m長的電纜已被證明是準(zhǔn)確的。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱參考文獻(xiàn)1、2或5。

步驟3-使用近距天線故障排除

一旦產(chǎn)品的諧波特性完全表征，就該看看哪些諧波實際上會輻射。為此，我們可以使用連接到距產(chǎn)品或待測系統(tǒng)至少1m遠(yuǎn)的未校準(zhǔn)天線的4/5/6系混合示波器測量實際的輻射（圖4）。通常，這些輻射是來自連接的I/O或電源電纜以及屏蔽外殼的接縫或孔隙。將這些數(shù)據(jù)與近場和電流探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實際測量的輻射應(yīng)該能夠表明先前探測所確定的能量來源。

圖4 典型的輻射發(fā)射故障排除測試設(shè)置。天線與被測設(shè)備之間的距離約為1米

嘗試逐個拔掉電纜來確定電纜輻射是否是主要問題。您還可以嘗試在一個或多個電纜上安裝鐵氧體扼流圈進(jìn)行測試。使用近場探頭確定屏蔽外殼的接縫或開口是否也存在泄漏。

一旦確定了發(fā)射源，您可以利用您對濾波、接地和屏蔽的知識來減輕問題輻射。嘗試確定從產(chǎn)品內(nèi)部到任何外部電纜的耦合路徑。在某些情況下，電路板可能需要通過優(yōu)化層堆疊或消除高速信號跨越返回平面間隙等方式進(jìn)行重新設(shè)計。通過使用一定距離的天線實時觀察結(jié)果，減輕階段應(yīng)該會迅速進(jìn)行。

輻射和傳導(dǎo)發(fā)射故障排除

使用頻譜視圖對諧波進(jìn)行基本顯示，以及對諧波進(jìn)行時間相關(guān)分析，是排除EMI輻射問題最有用的兩種技術(shù)。對于輻射和傳導(dǎo)發(fā)射故障排除，請按照上方所述的三步流程進(jìn)行。

商業(yè)或消費類產(chǎn)品的輻射發(fā)射測試是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)CISPR 11或32進(jìn)行的，通常是最高風(fēng)險的測試。大多數(shù)產(chǎn)品的輻射頻率在30到1000兆赫之間。最好的第一步是對500 MHz 進(jìn)行初步掃描，因為這通常是數(shù)字諧波最嚴(yán)重的頻段。您還希望記錄至少高達(dá)1GHz（或更高）的發(fā)射，以便表征任何其他主要發(fā)射。一般來說，減輕較低頻率的諧波也將減少更高的諧波。

在4/5/6系混合信號示波器上設(shè)置頻譜視圖以進(jìn)行一般輻射發(fā)射故障排除

●   將您的近場探頭連接到通道1，雙擊通道1圖標(biāo)以打開菜單面板。將探頭阻抗設(shè)置為50歐姆。

●   使用近場探頭，在待測電路板上找到一個樣本信號，并調(diào)整垂直、水平和觸發(fā)電平以獲得穩(wěn)定的波形。

●   在通道1圖標(biāo)打開時，點擊頻譜視圖選擇以打開面板并顯示選項。打開顯示，并將單位設(shè)置為dBuV。打開Normal和Max Hold框。Max Hold 表示最大頻譜幅度作為參考，有助于與當(dāng)前測量的頻譜進(jìn)行比較。單擊或點擊菜單外部以關(guān)閉。

●   雙擊頻譜菜單（屏幕右下角）。對于一般故障排除，讓我們將頻譜視圖頻率設(shè)置為DC至500 MHz。為此，將中心頻率設(shè)置為250MHz，帶寬設(shè)置為500MHz。只需雙擊每個選擇框以打開數(shù)字鍵盤。對于大多數(shù)窄帶諧波，分辨率帶寬從10到20kHz 開始使用。

●   可以縮小或展開垂直刻度以顯示可讀的頻譜。

●   請注意，標(biāo)記閾值可以自定義，并且可以添加標(biāo)注，用箭頭、方框和用戶自定義文本來記錄具體設(shè)置。

在有足夠的電源線濾波的情況下，傳導(dǎo)發(fā)射通常不是問題，但許多低成本電源供應(yīng)器缺乏良好的濾波。一些普通的“無名”電源供應(yīng)器根本沒有濾波功能！

對于商業(yè)或消費類產(chǎn)品的傳導(dǎo)發(fā)射測試是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn) CISPR11或32執(zhí)行的，將顯示傳導(dǎo)射頻噪聲電壓。4/5/6系列混合信號示波器連接到50歐姆端口，將顯示傳導(dǎo)射頻噪聲電壓。不同型號的LISN適用于交流或直流供電。

圖5 典型的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）用于將線纜傳導(dǎo)的電磁干擾耦合到頻譜分析儀。照片由Tekbox Digital Solutions提供

理想情況下，您可以根據(jù)CISPR11或32標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置測試，如圖7所示。被測試設(shè)備（EUT）放置在一個高80厘米的木桌上，地面上有一個接地平面。LISN與接地平面連接，并與EUT以及帶頻譜視圖的4/5/6系列MSO。

圖6 典型的傳導(dǎo)發(fā)射測試設(shè)置

連接線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN），例如Tekbox TBLC08，并將其放置在待測試的產(chǎn)品或系統(tǒng)與帶頻譜視圖的4/5/6系列MSO之間。在桌面故障排除時，最好鋪一層鋁箔作為接地平面。使用銅箔帶將LISN固定在鋁箔上。將被測設(shè)備與接地平面隔離。注意側(cè)邊欄中連接的順序！

設(shè)置頻譜視圖以進(jìn)行一般傳導(dǎo)發(fā)射故障排除

使用類似的步驟設(shè)置頻譜視圖以顯示0至30MHz的頻率。將中心頻率設(shè)為15MHz，捕獲帶寬設(shè)為30MHz，分辨率帶寬設(shè)為9或10kHz。上電被測設(shè)備，然后將LISN的50歐姆輸出端口連接到示波器。請注意，諧波頻率通常在較低（kHz）頻率處非常高，在接近30MHz 時逐漸降低。確保這些更高的諧波頻率不會使示波器過載。根據(jù)需要調(diào)整垂直刻度或在TekboxTBCL08 LISN（如圖6左下角所示）上選擇瞬態(tài)保護(hù)器，其中包括10dB衰減器。

頻譜視圖將捕獲峰值檢測到的諧波，所需的測試限制將以平均或準(zhǔn)峰值的形式給出，因此您將無法直接將測量數(shù)據(jù)與實際測試限制進(jìn)行比較。但是，您至少能夠確定潛在的問題區(qū)域。諧波頻率的故障排除過程類似于之前描述的輻射發(fā)射測試。

分析收集的數(shù)據(jù)

請記住，并非所有近場信號都會耦合到“天線狀”結(jié)構(gòu)并輻射。請注意，在許多情況下，兩個或更多源將產(chǎn)生部分(或全部)相同的諧波。例如，25MHz時鐘和100MHz 時鐘都可以產(chǎn)生100、200、300MHz等的諧波。通常情況下，您需要修復(fù)多個源才能消除單個諧波。頻譜視圖包括一 些強大的數(shù)據(jù)捕獲和文檔功能，將有助于加快從步驟1到3的數(shù)據(jù)收集過程。

在分析諧波并確定最可能的源之后，下一步是確定從諧波源到產(chǎn)品外的耦合路徑。通常情況下 I/O或電源線才是實際的輻射結(jié)構(gòu)。有時，它可能泄漏的接縫或孔隙（例如顯示器或鍵盤）。

存在四種可能的耦合路徑：傳導(dǎo)、輻射、電容和電感。后兩者（電容和電感）被稱為“近場”耦合，信號源和受影響者之間距離的微小變化會在輻射能量中產(chǎn)生較大的影響。例如，將一根排線路徑安排得太靠近電源散熱器（電容耦合，或dV/dt）并導(dǎo)致輻射發(fā)射的情況，只需將排線移到離附近散熱器更遠(yuǎn)的地方，問題就能得到解決。此外，還可以通過重新布線來降低源電纜和受影響電纜之間的電感耦合（di/dt）。這兩種內(nèi)部耦合機制（或類似的PCB板設(shè)計問題）都可能導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射（通過電源電纜）或輻射發(fā)射（I/O或電源電纜充當(dāng)天線或外殼接縫/孔隙）。 在許多情況下，這僅僅是由于電纜屏蔽與屏蔽外殼的粘合不佳或I/O或電源端口缺乏共模濾波而導(dǎo)致輻射發(fā)射。

通常，在故障排除發(fā)射問題時，您可能已經(jīng)進(jìn)行了正式的合規(guī)性測試，并知道諧波超限的程度。因此，在故障排除時，相對測量通常比絕對測量更重要。也就是說，如果我們知道某些諧波超出限制5到10dB，目標(biāo)就是將這些諧波至少減少到這個水平或更低，以確保安全余量。因此，不需要校準(zhǔn)天線，因為只有相對變化才重要。天線也不一定需要調(diào)諧到諧波的頻率。重要的是，來自EUT的諧波含量應(yīng)該很容易看到。