EMI一致性到底有多重要？四種方法教你正確排查EMI是否一致

　　EMI一致性到底有多重要？

　　很多公司發(fā)現(xiàn)他們的電子產(chǎn)品在上架銷售前常常栽倒在最后一關(guān)，即符合EMC要求。這使他們認識到在早期設(shè)計階段重視預測試和EMI診斷的重要性，以盡量減小測試不合格的影響——重新設(shè)計和設(shè)備召回，以及延遲產(chǎn)品上市。等到開發(fā)期結(jié)束才去了解產(chǎn)品是否能夠通過一致性測試是一場豪賭，因為每次改進涉及的開發(fā)成本會以指數(shù)規(guī)律攀升。

　　因此，通過試產(chǎn)原型機，甚至早在研發(fā)階段，從設(shè)計調(diào)研上排查EMI日益重要。對問題電路板進行實驗，并采取預防措施是能夠為設(shè)計帶來便利。

在低頻段，系統(tǒng)中的電路節(jié)點阻抗可能變化很大；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。

　　圖1：當產(chǎn)品在開發(fā)階段一步步推進時，變更所承擔的潛在成本上升，清除EMI問題的可用措施逐步受到限制。

　　圖字：PCB、濾波、接地、地彈、軟件等；成本效益及可用措施；預防措施；承擔的成本；階段；預一致性測試；一致性測試；研發(fā)；原型；試產(chǎn)；生產(chǎn)；設(shè)計階段；生產(chǎn)階段

　　設(shè)計工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計需要經(jīng)過多次修改才能達到限值。他們既不擁有EMI診斷訣竅，EMI診斷也不是他們?nèi)粘Ｘ熑蔚囊徊糠?。通常，僅當設(shè)計的電路板幾乎完工時才遞交給EMC部門或外部實驗室做進一步測試。然而，相比早期設(shè)計階段（這時某些設(shè)計考慮或許能夠妥善處理）修改，在這個階段做出改動極具挑戰(zhàn)性。

　　符合EMC標準的結(jié)果在設(shè)計上是可控的，能夠做出規(guī)劃，同時也是設(shè)計師的責任。解決EMI并非使用什么巫術(shù)，也無需時域工程師躲避。使用您熟悉的儀器---示波器，您能夠更好地理解EMI問題，以及了解所用解決方案的效果。

　　武裝起來做預一致性測試

　　對此，您可能會問：那么我該如何使用EMI濾波器和準峰值（QP）檢波器？這取決于您是否在進行一致性測試、預一致性測試或者在做EMI故障排查。EMI類分辨率帶寬（RBW）濾波器是窄帶的，其滾降方式以6dB為標準，而非3dB。符合標準的準峰值檢波器是根據(jù)信號峰值和重復頻率進行檢測加權(quán)從得出峰值的。

　　使用不正確的濾波器和檢波器會影響設(shè)備返回的幅度值和頻率值。在一致性測試中，這兩個是強制遵守的標準。然而，對于EMI診斷它們不是決定性的，因為主要目的是從物理上和電氣上識別出輻射源。如果沒有實際的一致性精度要求，您獲得接近的估值已足夠用了。

　　如果用于識別輻射源，由于準峰值檢波器算法結(jié)果總是小于或等于峰值檢波器，因此使用峰值檢波器足夠。準峰值檢波器結(jié)果和峰值檢波器結(jié)果都涉及相同的信號重復率，您可以用公式表示數(shù)學波形，或者在故障排查過程中考慮到這一點。另一方面，EMI濾波器僅會略微改變結(jié)果。

　　與測試接收機不同，示波器在設(shè)計上沒有內(nèi)置EMI一致性限值測試。使用大多數(shù)示波器都配有的模板測試，或遠程軟件，可以在示波器上定義EMI一致性限值從而模擬EMI標準測試。然后，您可以進一步設(shè)置更多的模板，發(fā)現(xiàn)感興趣的問題區(qū)域。

　　圖2：限制線可以用模板替代，以確定被測設(shè)備是否符合要求。

　　在上圖中，超過測試限值的事件可在時域做進一步分析。您還可以在示波器上的不同頻率范圍設(shè)置不同的RBW。

　　圖3：RTO Scan軟件的測試結(jié)果輸出。RTO Scan是R&S RTO系列示波器的EMI預測試應(yīng)用軟件。該軟件提供對數(shù)坐標的頻譜圖輸出方便比對。

　　圖字：幅度、頻率

　　示波器是快速了解有害輻射并找出它們來源的有效工具。在同一臺儀器上訪問時域和頻域為快速分析有害輻射創(chuàng)造了條件。因為示波器是硬件設(shè)計工程師常用的儀器，它增強了研發(fā)階段的EMI排查能力，并且能夠在去EMC實驗室前先做摸底測試，從而顯著提高了一致性測試的成功率。示波器也為您提供可用于定位、捕獲和分析輻射源的各種技術(shù)，歸納在下表中：

　　表1：示波器和傳統(tǒng)EMI測試設(shè)備進行EMI診斷的技術(shù)列表，從定位和捕獲到分析有問題的輻射源。

　　與通常的時域相關(guān)測量或其他常用射頻測試相比，EMI測量需要不同方法。在EMI，工程師從來無法完全掌握可能存在什么信號。由于每臺新被測設(shè)備都不同，根據(jù)EMI信號特征選擇正確的工具以及識別輻射源十分重要。

　　當涉及預一致性和一致性測試時，示波器的頻譜分析功能并不能取代傳統(tǒng)的EMI測試設(shè)備，如頻譜分析儀或測試接收機。畢竟相對有限的動態(tài)范圍和帶寬，缺少預選器、前置放大器和與標準兼容的加權(quán)檢波器，限值了示波器在EMI測試領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　示波器、頻譜分析儀或測試接收機可以從不同角度解決EMI問題。每種設(shè)備用到不同的測試方法，并提供不同但互補的診斷技術(shù)。示波器互補的方法為EMI排查診斷打開了全新的天地，提供前所未有的EMI排查能力。結(jié)合示波器中現(xiàn)有的在EMI排查方面的分析工具，將幫助您快速發(fā)現(xiàn)您設(shè)計中的潛在問題。

　　接下來做什么？電源是EMI干擾噪聲的主要來源，示波器的電源諧波分析在這類排查工作中很有潛力。我們不久將討論這一方面的內(nèi)容。

　　排查EMI是否一致的四種基本方法：

　　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認證測試，許多公司必須在產(chǎn)品設(shè)計和測試方面花費大量的人力物力。壞消息是，即使采用了好的設(shè)計原理、選擇了高質(zhì)量的元件并且仔細地表征了產(chǎn)品，當進行一致性測試時，如果測試并不是所有階段都進展順利，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潛在的EMI問題。

　　當然，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)品在測試室進行最終完整的EMC一致性評估時失敗的風險。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。

　　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3是對應(yīng)的列表數(shù)據(jù)報告，其中詳細列出了測試頻率、測量得到的幅度、校準后的校正因子以及調(diào)整后的場強。然后將調(diào)整后的場強與下一欄中的指標進行比較，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)范標準在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)行準峰值測量。準峰值是EMI測量標準定義的一種方法，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)時間和重復率對信號進行加權(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致更高的準峰值測量結(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峰值測量所屏蔽。

　　好消息是，峰值和準峰值掃描對預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峰值檢測的例子。圖中顯示了峰值檢測和準峰值檢測中都能看到的脈寬為8μs、重復率為10ms的信號。結(jié)果準峰值的檢測結(jié)果比峰值低了10.1dB。

　　圖4：峰值檢測和準峰值檢測的比較。

　　需要記住的一個好規(guī)則是，準峰值檢測值總是小于或等于峰值檢測值，永遠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行的，你的公司實驗室也許無法復制這些條件。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測試室可能在校準過的射頻房內(nèi)開展他們的測量，并報告作為強場的測量結(jié)果。

　　幸運的是，你并不需要完全復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。

　　用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地位的磁場到占主導地位的電場。在近場中，非輻射行為是主導的，因此波阻取決于源的性質(zhì)和距源的距離。而在遠場中，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，一致性測試是在遠場中進行的，而不是近場。你通常不會使用遠場，因為有太多的變量讓它變得復雜起來：遠場信號的強度不僅取決于源的強度，而且取決于輻射機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)點和電路

　　傳輸線

　　電源

　　端接導線和電纜

　　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)點和電路

　　未端接的PCB走線

　　電纜

　　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，重要的一點是H場探針的方向要讓環(huán)路平面與待測導體保持一致。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。為了測量脈沖重復周期，打開測量標記并直接判斷周期。