解决EMI问题的实用技巧-emi0

在世界各地，几乎所有的政府都试图控制来自其国家生产的电子产品的有害电磁干扰（EMI）（见图1）。非常具体的规则和法规涵盖了电子产品的设计，以便为用户提供一定程度的保护和安全。

当然，这是一件好事。但这确实意味着公司必须在产品设计和测试上花费大量的时间和精力，以最大限度地减少其EMI特征并通过官方EMI认证测试。坏消息是，即使在采用良好的设计原则，选择高质量的组件并仔细表征产品之后，当需要进行一致性测试时，如果测试在所有阶段都不顺利，EMI故障仍然会给发布计划带来重大的麻烦。

通常，公司试图通过在设计和原型设计阶段执行“预合规”测量来保护自己免受这种情况的影响。在将产品送出进行一致性测试之前，最好识别和修复潜在的EMI问题。

当然，大多数公司的实验室不包含进行绝对EMI测量所需的测试室条件。好消息是，在不重复测试室条件的情况下识别和解决EMI问题是完全可行的。本文讨论了一些技术，您可以使用这些技术来降低产品在测试机构未通过最终的 EMC 一致性评估的风险。它还包括一个确定信号特性和重合的示例，以便对EMI发射源进行归零。

图 1：构成信号的电压和电流的变化会导致电场和磁场。

了解 EMI 报告 在深入研究故障排除技术之前，了解一下 EMI 测试报告会很有用。乍一看，EMI报告似乎提供了有关特定频率故障的直接信息。使用报告数据来识别设计的哪个组件包含有问题的源频率并应用一些衰减以在下次通过时通过测试，这看起来可能很简单。然而，虽然许多测试条件在报告中都明确了，但一些需要考虑的重要事情可能并不那么明显。在筛选设计以尝试确定问题的根源之前，它可以帮助了解测试公司如何生成报告。

考虑图2中的EMI测试报告，其中显示了90 MHz左右的故障。

图 2：此 EMI 测试报告显示 90 MHz 左右时出现故障。

相应的表格数据报告（如图3所示）详细说明了测试频率、测量幅度、校准校正因子和调整的场强的值。调整后的场强在下一列中与规格进行比较，以确定最右边一列中显示的边距或过量。

在显示的边距列中，您可以看到有一个峰值高于此特定标准的限值，为88.7291 MHz，与规格的边距差为-2.3。

图 3：此表格数据对应于图 2。它显示88.7291 MHz的故障，但有一些因素使它怀疑这是确切的频率。

你完成了，对吧？没那么快。不要让所有这些数字引导你相信这是EMI来源的问题的精确频率。事实上，测试报告中给出的频率不太可能恰好是源的频率。根据特别国际无线电干扰委员会（CISPR）的说法，在进行辐射发射测试时，必须根据频率范围使用不同的测试方法。每个范围都需要特定的分辨率带宽滤波器和检测器类型，如表1所示。滤波器带宽决定了解析确切的兴趣频率的能力;这意味着频率范围在它们对违规源的磨练程度上有所不同。

表 1 ： CISPR 测试要求随频率范围和冲击频率分辨率而变化。

这里需要注意的是，对于某些频率范围，CISPR测试要求要求使用检测器类型-准峰值（QP），这可能会掩盖实际频率。通常，EMI部门或外部实验室通过使用简单的峰值探测器来查找问题区域来执行ascan来开始测试。但对于发现的超过或接近指定限值的信号，它们也可以执行QP测量。QP是EMI测量标准定义的一种方法，用于检测信号包络的加权峰值。它根据信号的持续时间和重复速率对信号进行加权，以便更多地强调从广播角度来看可能被解释为“烦人”的信号。更频繁地出现的信号将导致比不频繁的脉冲更高的QP测量。换句话说，当问题信号更频繁地发生时，风险信号的绝对幅度可能会被QP测量所掩盖。

这里的好消息是，峰值和准峰值扫描对于预一致性测试仍然有用。峰和QP检测的示例如图4所示。在这里，在峰值和QP检测中都可以看到具有8 μs脉冲宽度和10 ms重复速率的信号。得到的 QP 值比峰值低 10.1 dB。

图 4：峰值检测和准峰值检测的比较。

要记住的一个好规则是，QP值将始终小于等于峰值检测值，永远不会大于峰值检测值。因此，您可以使用峰值检测来执行 EMI 故障排除和诊断。您不需要精确到与EMI部门或实验室扫描相同的程度，因为测量都是相对的。如果 labre 报告中的 QP 值显示设计超过 3 dB，而峰值检测值为 6 dB 以上，那么您就知道需要实施将信号降低 3 dB 或更高的修复。

测试机构通常会对EMI报告进行扫描，这些条件是公司实验室可能无法复制的特殊条件。例如，被测设备（DUT）可以放置在转盘上，可以从多个角度收集信息。这种方位角信息非常有用，因为它将指示问题发出的DUT区域。或者，EMI测试室可能会在经过校准的RF室中进行测量，并将结果报告为场强的测量。

幸运的是，您不需要重复测试室条件来排除EMI测试故障。与其使用在高度受控的EMI测试设施中执行的绝对测量，不如使用测试报告中的信息进行故障排除，充分了解用于生成报告的测量技术，以及围绕DUT隔离源的相对观察并衡量补救措施的有效性。

寻找 EMI 辐射 – 从哪里开始？ 现在是时候继续关注不需要的EMI源了。当我们从EMI的角度来看任何产品时，整个设计可以被认为是能量源和天线的集合。EMI问题的常见（但绝不是唯一）来源包括：

电源滤波器 接地阻抗 信号返回不足 液晶屏发射 组件寄生效应 电缆屏蔽不良 开关电源（直流/直流转换器） 内部耦合问题 金属化外壳中的静电放电 不连续的返回路径

要确定特定电路板上的能量来源以及特定EMI问题的核心能量来源，您需要检查观察到的信号的周期性。信号的射频频率是多少？它是脉冲式还是连续式？可以使用基本频谱分析仪监控这些信号特性

你还需要看看巧合。与EMI事件一起在凹凸节上发出什么信号？通常的做法是使用检波器来探测 DUT 上的电信号。检查电气事件引起的EMI问题可以说是EMI故障排除中最耗时的过程。过去，很难以同步方式关联来自频谱分析仪和螺旋仪的信息。

然而，混合域示波器（MDO）的引入通过提供同步的时间相关视图和测量改变了这一点。该仪器如图5所示，简化了EM故障发射过程，使其相对容易地看到哪些信号与哪个EMI事件有关。

图 5：混合域示波器 （MDO） 将频谱分析仪、示波器和逻辑分析仪组合在一个单元中，可从所有三个仪器中产生同步的时间相关测量。此处显示的是泰克 MDO4000B。

MDO将混合信号示波器的功能与长程分析仪相结合。通过这种组合，您可以自动显示和触发模拟信号特性、数字定时、总线事务以及RF。一些MDO还具有获取或查看频谱和时域迹线的能力，包括RF幅度与时间的关系，RF相位与时间的关系以及RF频率与时间的关系。时间。RF幅度与时间走线如图6所示。

图 6：这显示了 MDO 的时间相关视图，其中包含 RF 幅度与时间迹线的关系。

使用近场探测进行相对测量 虽然合规性测试程序旨在产生绝对的校准测量，但可以使用来自DUT的电磁场的相对测量来对大部分进行故障排除。特别是，您可以使用MDO的光谱分析仪功能和RF通道，通过探测近场中波阻抗的行为来归零能量源。在执行此操作的同时，在示波器的一个模拟通道上使用无源探头探测信号，以发现与RF相关的信号。

不过，首先，它有助于了解将要探测的电磁场区域的一些背景。图7显示了近场和远场中波阻抗的行为，以及它们之间的转换区域。您可以看到，在近场区域中，磁场的范围可以从主要磁性到主要电。在近场中，非辐射行为占主导地位，波阻取决于光源的性质和距离。在远场中，阻抗是恒定的，测量不仅取决于在近场中可观察到的活动，还取决于天线增益和测试条件等其他因素。

图 7：这显示了近场和远场中波阻抗的行为，以及它们之间的过渡区。近场测量是用于EMI故障排除的测量。

近场测量是用于EMI故障排除的测量，因为它们允许您精确定位能量来源，而无需在测试现场的特定条件。但是，一致性测试在远场进行，而不是在近场进行。您通常不会使用远场，因为它因太多变量而变得复杂：远场信号的强度不仅取决于源的强度，还取决于辐射机制以及任何可能到位的屏蔽器滤波。根据经验，请记住，如果您能够在远场中观察到信号，那么您应该能够在近场中看到相同的信号。（但是，有可能在近场中观察到信号，而在远场看不到相同的信号。

近场探头本质上是设计为局部磁（H场）或电（E场）变化的天线。通常，近场探头不附带校准数据，因此它们用于进行相对测量。如果您不熟悉用于测量H场和E场变化的探头，它有助于了解近场探头设计和最佳用途：

H场（磁）探头具有独特的环设计，如图8所示。重要的是，H场探头的方向是，环路的平面与被评估的导体一致，从而定位环路，使磁通量的磁场线通过它。

图 8：将 H 场探头与电流对齐，使磁场线穿过环路。

环路的大小决定了灵敏度和测量面积，因此在使用这些类型的探头时必须小心以隔离能量源。近场探头套件通常包括不同环路尺寸的弧形，因此您可以使用渐进式旋转器环路尺寸来缩小测量区域。

H场探头对于识别具有相对较高电流的来源非常有用，例如：

低阻抗节点和电路 传输线 电源 端接电线和电缆

电场（电）探头用作小单极天体，对电场或电压变化做出响应。使用这些类型的探头时，保持探头垂直于测量平面非常重要，如图9所示。

图 9：将 E 场探头垂直于导体放置以观察电场。

在实践中，E-field探头非常适合在非常小的区域上归零，并识别电压相对较高的源以及没有终端的源，例如：

高阻抗节点和电路 未端接的印刷电路板走线 电缆

在低频下，系统中的电路节点阻抗可能会有很大差异。需要了解电路或实验知识才能确定H场或E场探头是否能提供最灵敏的灵敏度。在较高的频率下，这些差异可能是戏剧性的。在所有情况下，进行重复的相对测量都很重要，这样您就可以确信所实施的任何变化的近场发射结果都能得到准确表示。最重要的考虑因素是，对于每个实验变化，近场探头的位置和方向要保持一致。

追踪EMI发射源 在此示例中，对小型微控制器的EMI扫描表明，似乎以144MHz为中心的宽带信号存在超限故障。使用MDO的频谱分析仪功能，第一步是将H场探头连接到RF输入，以使用相对近场测量来定位能量源。

如上所述，H场探头的方向很重要，这样环路的平面与被评估的导体一致。在PCB周围移动H场探头，可以定位能量源。通过逐步选择更窄的孔径探头，您可以将搜索集中在较小的区域。

一旦找到表观能量源，RF幅度。时间迹线如图10所示，绘制了跨度内所有信号的集成功率对流时间。使用此迹线，可以清楚地看到显示屏中的大脉冲。在记录长度上移动频谱时间，很明显EMI事件（即以140 MHz为中心的宽带信号）直接对应于大脉冲。为了稳定测量，请打开RF功率触发器，然后增加记录长度以确定RF脉冲发生的频率。要测量脉冲重复周期，请启用测量标记并直接确定周期。

图 10：MDO 的 RF 幅度与时间走线的关系（上图）显示了 140 MHz 时的微弱脉冲。频谱显示（底部图）显示其频率内容。

积极识别EMI源的下一步是利用MDO的示波器部分。保持相同的设置，打开示波器的通道1，然后浏览PCB，寻找与EMI事件重合的信号源。

在用示波器探头浏览信号一段时间后，发现了图11中的信号：在本例中为电源滤波器。在显示屏上可以清楚地看到，连接到示波器通道1的信号与EMI事件直接相关。现在，可以制定EM修复计划，并在尝试认证测试之前纠正问题。

图 11：在示波器的一个模拟通道上使用无源探头可发现与 RF 相关的信号。

结论 EMI 一致性测试失败会使产品开发进度面临风险。但是，预一致性测试可以帮助您在达到该阶段之前解决EMI问题。您无需在高度受控的EMI测试设施中进行绝对测量，而是可以使用EMI测试报告中的信息进行相关的观察，这些观察结果可用于隔离源并衡量修复效果。

有效的EMI故障排除通常涉及近场探测以查找相对较高的电磁场，确定其特性，并使用混合域示波器将场活动与电路活动相关联以确定EMI源。此处概述的故障排除技术可以有效地帮助您隔离有问题的能源，以便您可以在提交设计以进行EMI认证之前对其进行补救。