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    使用4、5和6系列混合信號示波器排除電磁干擾故障

    2024-05-11 08:18:37 EETOP

    輻射發射是對輻射電磁場的測量,而傳導發射則是對被測產品、設備或系統發出的傳導電磁干擾電流的測量。根據設備的設計工作環境,全球范圍內對這些輻射的上限都有相應限制。如今,包括無線和移動設備在內的消費電子產品層出不窮,設備之間的兼容性變得更加重要。產品之間不得相互干擾(輻射或傳導發射),而且在設計上必須不受外部能源的影響。大多數國家現在都強制對產品進行各類EMC標準測試。

    EMI故障排除的三個步驟

    許多產品設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板和內部電纜上的能量源和特征發射特性。能量源通常包括時鐘振蕩器、處理器、RAM、D/A或A/D轉換器、DC-DC轉換器和其他產生高頻率、快速邊沿、數字信號的源。如果產品包括屏蔽外殼,則應檢查其他接縫或孔隙是否有泄漏。記錄每個能量源的發射特性。

    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構。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-(開關電源等)。大多數故障排除都是使用H場探頭進行的,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,圍繞產品外殼、電路板和連接的電纜進行嗅探。目標是識別主要的電磁干擾源和主導的窄帶和寬帶頻率。記錄觀察到的位置和頻率特征。當您鎖定干擾源時,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)。您可能會發現大多數探測最終都是使用這個探頭。

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    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。

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    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生輻射!輻射需要與“天線狀”結構(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。在電路板級別應用潛在修復措施時,請務必用膠帶固定近場探頭,以減少探頭尖端的物理位置變化。我們主要關注在應用修復措施時的相對變化。

    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行比較。這些諧波最有可能會輻射并導致測試失敗,因為它們流經類似天線的結構(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曲線將幫助您根據探頭端口處的分析儀電壓計算出電流。

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    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致某些頻率在不同位置產生共振。還可以根據線纜中流動的電流來預測輻射的E場強度(V/m),前提是在相關頻率下長度為電短路。這在高達200MHz的頻率下對1m長的電纜已被證明是準確的。有關詳細信息,請參閱參考文獻1、2或5。

    步驟3-使用近距天線故障排除

    一旦產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品或待測系統至少1m遠的未校準天線的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。將這些數據與近場和電流探頭的數據進行比較。實際測量的輻射應該能夠表明先前探測所確定的能量來源。

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    圖 4. 典型的輻射發射故障排除測試設置。天線與被測設備之間的距離約為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。嘗試確定從產品內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化層堆疊或消除高速信號跨越返回平面間隙等方式進行重新設計。通過使用一定距離的天線實時觀察結果,減輕階段應該會迅速進行。

    輻射和傳導發射故障排除

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

    商業或消費類產品的輻射發射測試是根據國際標準CISPR 11或32進行的,通常是最高風險的測試。大多數產品的輻射頻率在30到1000兆赫之間。最好的第一步是對500 MHz 進行初步掃描,因為這通常是數字諧波最嚴重的頻段。您還希望記錄至少高達1GHz(或更高)的發射,以便表征任何其他主要發射。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置頻譜視圖以進行一般輻射發射故障排除

    ?   將您的近場探頭連接到通道1,雙擊通道1圖標以打開菜單面板。將探頭阻抗設置為50歐姆。

    ?   使用近場探頭,在待測電路板上找到一個樣本信號,并調整垂直、水平和觸發電平以獲得穩定的波形。

    ?   在通道1圖標打開時,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,有助于與當前測量的頻譜進行比較。單擊或點擊菜單外部以關閉。

    ?   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置為DC至500 MHz。為此,將中心頻率設置為250MHz,帶寬設置為500MHz。只需雙擊每個選擇框以打開數字鍵盤。對于大多數窄帶諧波,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,標記閾值可以自定義,并且可以添加標注,用箭頭、方框和用戶自定義文本來記錄具體設置。

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

    對于商業或消費類產品的傳導發射測試是根據國際標準 CISPR11或32執行的,將顯示傳導射頻噪聲電壓。4/5/6系列混合信號示波器連接到50歐姆端口,將顯示傳導射頻噪聲電壓。不同型號的LISN適用于交流或直流供電。

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    圖 5. 典型的線路阻抗穩定網絡(LISN)用于將線纜傳導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CISPR11或32標準設置測試,如圖7所示。被測試設備(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。

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    圖 6. 典型的傳導發射測試設置

    連接線阻抗穩定網絡(LISN),例如Tekbox TBLC08,并將其放置在待測試的產品或系統與帶頻譜視圖的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。將被測設備與接地平面隔離。注意側邊欄中連接的順序!

    設置頻譜視圖以進行一般傳導發射故障排除

    使用類似的步驟設置頻譜視圖以顯示0至30MHz的頻率。將中心頻率設為15MHz,捕獲帶寬設為30MHz,分辨率帶寬設為9或10kHz。上電被測設備,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。根據需要調整垂直刻度或在TekboxTBCL08 LISN(如圖6左下角所示)上選擇瞬態保護器,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峰值的形式給出,因此您將無法直接將測量數據與實際測試限制進行比較。但是,您至少能夠確定潛在的問題區域。諧波頻率的故障排除過程類似于之前描述的輻射發射測試。

    分析收集的數據

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

    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構。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、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)并導致輻射發射的情況,只需將排線移到離附近散熱器更遠的地方,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)。這兩種內部耦合機制(或類似的PCB板設計問題)都可能導致傳導發射(通過電源電纜)或輻射發射(I/O或電源電纜充當天線或外殼接縫/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致輻射發射。

    通常,在故障排除發射問題時,您可能已經進行了正式的合規性測試,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,不需要校準天線,因為只有相對變化才重要。天線也不一定需要調諧到諧波的頻率。重要的是,來自EUT的諧波含量應該很容易看到。


    關鍵詞: 泰克 混合信號示波器 電磁干擾

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