无线/射频无处不在,所以实现说用现成的设备方案。
每个电子产品都必须经过完整的电磁兼容性(EMC)测试得到的邮票从各个监管机构批准。这历来是一个代价高昂的承诺与多个去一个遥远的测试设备,与多个重做需要获得最终批准。在物联网时代(物联网),这不是办法。有一个更好的方法。
物联网改变了一切,创造机会与无线连接设备收集数据进行分析,以提高设备可用性对消费者。工业IoT-enabled分析流程改善,安全、生产设施和生产结果,而开放的新商业模式的可能性。然而,对于电子系统和消费者产品设计师,它创造了一个数量的头痛;一些明显的,一些更加微妙和阴险。
首先,无处不在的无线连接的需求,无论是wi - fi、蓝牙、无线个域网,手机,或远程的各种风格,低功耗LoRaWAN等选项,Sigfox, Narrowband-IoT (NB-IoT)或LTE猫1。通常有多个射频接口相同的设备。这是对用户来说是好事,但对设计师来说无疑是一场噩梦,他们中的很多人不是射频专家。他们可能已经掌握了确保电力供应不再干扰数字电路,但无线连接添加了一个全新的维度的困难。从天线位置和路由、高频电路的设计从900兆赫到5 GHz,困难影响了许多产品交付时间表,问题只会变得更糟,5 g新兴和毫米波操作28 GHz。
勇敢的设计师将“滚自己的“射频电路,但这些往往是大容量的大型设计团队的期望。似乎容易,得到一个好的射频集成电路(IC)从一个有信誉的供应商,把一些屏蔽,地点和路线天线导线,并运行它们。也许吧。然而,几个趋势改变了景观设计,设计师们不得不重新思考他们的方法。
主要对设计的影响是较小的形式因素,高集成和电子元件密度每英寸平方的印刷电路板(PCB)空间,系统复杂性,更高的时钟速度,多个rails与快速交换和分布式电源瞬变,液晶显示屏排放得到融入物联网设备,和更快的数据传输速率之间的中央处理单元(CPU)和记忆。这些明显的和经典的趋势实际上创建有趣的挑战,设计师喜欢解决,虽然上市时间的压力和预算的减少可以kill-joy对一些人来说,对他人或者一个额外的挑战。
然而,正如前面提到的,有两个更微妙的趋势,而这些是那些实际上是造成最头痛、最分化的机会通过创新的方法来加快确保系统EMC的路线。
这些趋势,这是一个物联网的直接结果,是需要结合电源、高性能的数字电路和射频接口以紧凑形式因素的产品价格迅速下降。所以,complexity-to-price比率变得站不住脚的高质量,低成本的smart-home-based系统物联网设备的目的。甚至是手机和平板电脑制造商,通常收取额外费用更高的利润,越来越挤压收缩随着复杂性的增加和形式因素。
解决EMC及其相关的电磁干扰(EMI)问题,它曾经是足以屏蔽关键部件,如射频电路,减少对高速数字时钟和信号开关谐波干扰和防止干扰。然而,随着密度和复杂性增加了,现在很常见的保护一切,S4的三星(Samsung)选项卡,图1。
图1:过去足以保护两个关键电路,但是三星的设计师标签S4平板屏蔽字面上每一个电路,以确保最大的EMC。四个矩形银元素角落上的扬声器,不是电路。(图片来源:罗德与施瓦茨)
标签S4尖端客户级设计的是一个极端的例子就密度而言,性能,价格和复杂性,以匹配(649美元)。然而,大多数设计在物联网领域,从白色家电和音频流媒体系统内置语音助手,衣物,成本少得多,迫使设计师想办法降低开发和测试成本。
加速EMC测试,同时降低成本
可以加快设计和测试周期当使用电源和射频模块。这些pre-certified和节省时间和资源。然而,许多设计师错误地假设购买模块意味着他们家免费对国家和国际兼容性和遵从性法规。没有什么可以进一步从真相。
的确,射频模块可能仍然完全蓝牙认证和可互操作的,但是一旦电源、射频模块、天线和数字电路布局和连接所有监管认证就尽在不言中了。完整的系统现在需要认证,CE, FCC,或CISPR需求,由于多种多样的子系统之间的相互作用。这些包括负载瞬变,虚假的供电排放,各种内部和周围电磁干扰的来源,和射频谐波。
设计师的任务是了解电磁兼容和电磁干扰的效果和来源,然后说性能测试系统上的识别和减轻任何问题之前,发送到一个外部实验室认证。随着时间的费用,合规测试本身成本高达10000美元和90%的设备第一次失败了,导致返工和重新测试,有时很多次了。成本迅速增加,特别是如果修复需要全部或部分设计。启动的关键的预防措施,如设计周期检查点,帮助避免代价昂贵的项目延迟,图2。
图2:说检查点的实现方案测试可以大大增加的机会完成物联网设计按时并在预算之内。(图片来源:罗德与施瓦茨)
执行说测试的另一个重要的原因是为了避免过多的设备。设计师经常运行的风险添加额外的屏蔽或其他预防措施,增加体重,时间,功耗和直接成本。我们的目标是通过测试完全合规,没有做得太过火。
为了最小化的机会多次合规认证和返工,它有助于有一些前期教育EMC、EMI。加上现成的测试设备和一些“诀窍”,可以快速识别和减轻EMC问题之前提交正式的认证制度。
定义EMC和确定电磁干扰的来源
EMC、EMI往往混淆,但简单地说,EMC关心的是确保各个部分的电气和电子设备可以操作在同一电磁环境。它需要设备有最小的不必要的电磁排放,还可减少其对环境的电磁能量,通常从附近的设备或远程无线电发射机。
EMI是实际的电磁能量,设计师需要压制在自己的设计,以及保护他们的设计从外部来源。这些来源可以是静电,其他无线电,零星的汽车排放或电源,电源哼,微波炉和系统的内部数字开关谐波和分谐波,甚至音频信号。他们的干涉潜力取决于被测设备的工作频率(得),他们可以表现为连续波或脉冲EMI信号。
在EMC的说法,系统造成干扰的来源,和系统的影响是受害者。它们之间的四个电磁干扰耦合机制:辐射,电感,电容,导电,或任何组合的四个,图3。EMI可以联接,它适用于小型或大型系统之间近或远,以及子系统之间、组件、痕迹和天线系统。不是天线尤其有趣,因为它们不仅传输和接收故意排放,但也作为完美的耦合器EMI的一个系统。
图3:四个EMI辐射耦合机制,电感、电容和导电。(图片来源:ipfs.io)
附近的电磁干扰和电磁兼容原理是相似的,在系统。为了简单起见,本文将集中在一个系统如何为EMC设计,执行说测试和调试用的是现成的,中档示波器。
电磁兼容设计
让我们考虑以下基本原则表明,自101年EE EMC没有改变:
- 小心跟踪路由
- 请注意,更高的速度意味着更多的EMI问题
- PCB叠加使得EMI更糟
- 避免尖角痕迹(合理的设计工具可以匹配的最大工作频率跟踪角)
- 有更大的地面飞机
- 使用屏蔽电缆和外壳
- 避免不连续和共振传输路径
不幸的是,不能完全消除EMI。因此,设计师的工作是管理和减轻它,应用基本原则与经验知识相结合。
说测试和调试
一旦设计原型阶段,说已经建立了检查点,下一个任务是隔离得完全从环境电磁干扰,或描述环境和占发现陷在测试周期。陷也不能被消除,但可以确定干扰的概率和减轻。
扫描陷的宽范围的频率,一个完整的EMI接收机与过滤器和宽动态范围的数组是一个很好的选择,但可以是昂贵的。另外,一个频谱分析仪可以接近EMI接收机的功能没有打破银行。先得到一个基线和占任何礼物的信号。频谱分析仪,如r和s®FPC1500,可选的电脑EMI软件(艾丽卡),可以设置合规限制,或者用户可以手动,图4。
图4:在接收模式下,频谱分析仪可以模仿EMI接收机成本较高,但确保它至少有一个准峰值(QP)探测器定向天线。(图片来源:罗德与施瓦茨)
频谱分析仪本身至少需要一个准峰值(QP)检测器的定向天线的最小可行的特性集近似完全EMI-compliant接收机。寻找一个分析仪的频率范围从5 kHz 5 GHz检测sub-GHz信号和5 GHz无线网络陷。同样,一个内置的矢量网络分析仪(VNA)是非常有用的,因为它可用于天线阻抗匹配的RF模块如果没有一个射频天线内置的。一些频谱分析仪也有一个集成的信号发生器,可用于生成一个额外的信号的存在目的发射机的信号。这种“干预”测试,以确保有足够的阻塞在接收器允许信号通过。
开始说测试,做一个限制线测试,或max举行扫描,用max持有探测器,这是一个快速和简单的测试。然后,使用QP探测器的现场检查任何潜在的问题区域。使用(左)和磁场电场(磁场)近场探头,图5。磁场探测器有一个循环,磁场垂直传递,导致检测电压。
图5:更大的电和磁场探头的大小,更大的敏感性,在精确的成本。它有助于为零的EMI源减少探针的大小。(图片来源:罗德与施瓦茨)
当使用探针时,重要的是要记住,探测器的输出很大程度上取决于探头的方向相对于发射器。同时,有一种权衡:探针越大,灵敏度越大,但精度降低。所以,电磁干扰的来源越来越明确,减少探针的大小为零的来源,并验证读数低于允许的最大力量的水平。
这需要有一个坚实的设计知识,知道这些可能。许多EMI来源可以被考虑到预期的时钟频率,电源的开关频率,和预期的谐波。
知道布局是至关重要的,因为它有助于知道什么时候时钟线可能太接近一个射频模块。这变成了注意,因为它可能是耦合的,导致另一个刺激的不同光谱的一部分。
然而,无论多么优秀的设计师的的物理布局和电路的设计参数,没有什么比运行系统软件和time-correlating EMI运行代码。
Time-Correlated用示波器测试和调试
鉴于许多物联网开发人员的预算和资源约束,频谱分析仪可能遥不可及。然而,每一个板凳上有一个示波器,和正确的数字示波器还可以执行EMI测试。这并非总是如此,快速傅里叶变换(FFT)处理能力并不是可用的。现在已经改变,一些数字示波器实现FFT数字下变频和重叠的FFT算法在硬件。
寻找一个数字示波器与这些关键特征:足够的捕获内存(可以容纳超过500 Ksamples) 50-Ω耦合阻抗,以确保足够的带宽和采样率> 2 x的最大频率,从2.5开始为0到1 GHz Gsamples / s。如果测试系统与2.45 - ghz或5 ghz收音机,相应的采样率需要升级。寻找低噪声和良好的垂直敏感性能够设置为500µV / div 5 mV / div整整高灵敏度的带宽。
探测器将移动董事会或系统,重要的是范围的响应时间是快所以没有延迟在EMI回时域相关。一些范围包括fft算法在软件,所以要小心,确保实时时间和频域。EMI的来源变得更加清晰,时域视图应该允许EMI源相关的变化,如总线切换,图6。
图6:多域数字示波器与快速FFT能力和控制特性帮助调试通过允许用户time-correlate EMI事件和发现他们的起源。(图片来源:罗德与施瓦茨)
其他功能寻找范围包含一个颜色表和屏幕上的持久性很容易检测和区分连续波信号,破裂信号,信号放大。这些都是典型的特征r和s®RTE1000或r和s®RTO2000示波器,图7所示。
图7:r和s®RTO2000的10.1英寸的电容触摸屏可以让用户迅速弹出菜单导航和调整比例放大或移动波形。(图片来源:罗德与施瓦茨)
结论
在物联网时代,无处不在的无线连接,满足电磁兼容的要求任何标准变得更加困难和耗时。问题是加剧了物联网设备的成本下降,这让设计师第一次就做对的压力,以避免额外的认证和返工成本。说,实施严格的说测试方案和检查点结合典型的台式设备,如数字示波器,可以帮助限制正式的和昂贵的EMC认证测试一组练习。
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