本文介绍了EMC工程师“魔术包”中最有价值的工具之一——高频电流探头。电流探头对于测量流经电线或电缆的高频共模(或“天线”)电流是非常宝贵的。经验证明,端接不良的电缆(粘合或过滤)是最不可取的。测试设施辐射排放故障的1个原因。通过测量这些电缆上的共模(CM)电流(有时称为“天线”电流),就可以在开发实验室中对产品进行故障排除和修复。您还可以准确地预测给定的电缆电流是否会在测量室中通过或失效。这将为您节省大量试图在测试设施上应用修复程序的时间,而时钟则在滴答作响地流逝您的测试时间。我还将向您展示几种创建DIY (do-it-yourself)探针的方法,这些方法可以快速制作,在必要时非常有用。
共模电流
让我们考虑CM电流和它们是如何产生的,因为它不是直观的电流如何通过电缆或PC板中的信号和信号返回线以相同的方向传播。参考图1,请注意,在任何接地系统中,包括电路板信号/电源返回平面,由于阻抗有限,返回平面内的任何两点之间都会有电压差。用V表示GND1和VGND2图中。这种电位差将通过电路或子系统之间的普通电缆或电路迹线驱动CM电流。此外,不平衡的几何形状(例如,高速差动对的不同长度或路径路由)可以创建驱动相关CM电流的电压源。最后,在返回平面的分割上路由高速时钟跟踪或将其引用到多个平面,也可以成为CM电流的来源。由于图1中的电流相量是相加的,因此与方向相反的差分模式(DM)或信号电流产生的相量相比,产生的辐射相量可能相当大,因此倾向于抵消。因此,CM排放往往比DM排放更成问题。
电流探头:操作原理
射频电流探头是一种“插入-初级”型射频电流互感器。当探头夹在要测量电流的导体或电缆上时,导体形成一次绕组。该探头的夹紧功能可以轻松放置在任何导体或电缆周围。这本质上是一个宽带高频变压器。可以在电缆中测量高频电流,而不会对电路造成物理干扰。
由于电流探头用于“夹接”操作,图2中所示的主要是要测量CM电流的电导体。这一次被认为是一个回合,因为假设CM电流流过导体并通过返回导体(如框架、公共地平面或地球)返回到源。在一些电流探头模型中,二次输出端子在内部电阻负载,以在更宽的频率范围内提供基本恒定的传输阻抗。
商用电流探头
虽然商用电流探头价格昂贵,但优点是它们可以打开并夹在电缆上,而不必穿在电缆上进行测量。参见图3。与下面的“自己动手”(DIY)版本相比,它们也更加坚固,可以承受很多滥用。最后,它们也被精确地表征,允许非常精确地测量电缆电流。
自制电流探头
必要时,您可以制作自己的电流探头。图4和图5显示了几个DIY探针的示例。我通常试图找到一个铁氧体环面或夹芯,提供良好的高频特性在10到1000兆赫兹范围内。绕几圈(不是太关键),用同轴连接器终止是你所需要的。保持匝间尽可能远的距离(如图4所示)将降低绕组间电容,并在较高频率下产生更好的结果。这是夹紧铁氧体性能的最大缺点之一(如图5所示)。
转移阻抗
被测导体中的CM电流(Ic)(微安)由电流探头输出的读数(V)(微伏)除以电流探头传递阻抗(Z)确定T).
I = v / zT(1)
或以dB为单位
I(dBuA) = V(dBuV) - ZT(dBΩ)(2)
电流探头在整个频率范围内的典型传递阻抗是通过通过一个已知的RF电流(ic)通过主测试导体,并注意在50欧姆负载上产生的电压(V)来确定的。然后,
ZT= V/Ic(标准单位)(3)
或
ZT(dBΩ) = V(dB∫V) - Ic(dB∫A) (4)
费希尔F-33-1探头是一种常用的故障排除工具,具有从2到250 MHz的平坦频率响应(图6)。传输阻抗约为5Ω(图上约为+14 dBΩ),因此,1 uA电流将从电流探头产生5 uV输出电压。
探针校准
射频电流探头的精确校准是一个复杂的过程。描述是一个比校准更正确的术语。探针必须正确地描述,以反映用户如何使用探针。探头制造商通常出售试图保持50Ω阻抗的校准夹具。50Ω负载连接到输出端口,校准射频发生器(或网络分析仪)连接到输入端口。被表征的探针被夹紧在夹具周围,在测量探针输出时扫频。
我的测试设置稍显简陋(图7),但对于故障排除而言,它已经足够好了。我使用了一小段硬线穿过输出端口50Ω电阻负载串联。然后我将发电机调整为零dBm -一个方便的量。这相当于输出电压为224 mV(或73 dBuA的电流)到50Ω。实际的发生器输出并不重要,只要产生的探针电压足够大,可以在接收机或频谱分析仪中容易看到。我用Thurlby Thander TTi PSA2701T手持式频谱分析仪监测探头输出。
知道导线电流在dBuA和探头输出在dBuV,传输阻抗可以绘图减去:V(dBuV) - ic(dBuA)(以dB表示)。在这种情况下,zt(dBΩ) = V(dBuV) - 73。虽然这可能对教育目的有用,但我不太倾向于使用DIY探针来预测“通过/失败”,如下文所述。然而,由于它们在输出电压方面优于商业探头,我相信(并已在实践中证明)它们完全适合故障排除。您只需要知道EMC设计修复是否使电缆电流更好或更差。
预测通过/失败
通过测量责任频率下的CM电流,读取探头的传输阻抗Zt (dBΩ)(图6),并求解ic(使用上面的公式2),可以预测特定电缆是否会通过或失败辐射发射。将ic(Amps)代入公式5将计算出以V/m为单位的电场能级。电缆长度为L(m),责任谐波频率为f(Hz)。使用3或10米的测试距离d来预测这些测试距离的结果。
一旦确定某一特定电缆具有可能导致RE故障的CM电流,则应检查电缆连接到产品外壳的连接器。通常,我发现连接器屏蔽和外壳屏蔽之间的连接很差或不存在。这些点必须很好地结合,以允许CM电流回流到产品内的源,避免相关的电缆辐射。有关更多信息,请参阅我以前关于故障排除辐射发射的文章(参beplay官方免费下载考资料如下)。
真实的故障排除示例
如前所述,辐射排放的最常见来源之一是由于安装在屏蔽产品外壳上的连接不良。这种情况发生,特别是如果连接器是电路板安装和穿透松散通过屏蔽外壳。粘接不良的连接器允许内部产生的CM电流泄漏并在I/O、鼠标或键盘电缆的外部流动。这也会导致产品内部产生静电放电——更多的坏消息。如果允许这些电流流出外壳,连接的电缆将充当辐射天线——由于其典型的1米长度,通常在300 MHz左右共振。
这就是我最近工作的一个新的数字化示波器原型的情况。I/O连接器全部焊接在PC板上,并固定在机箱的后半部分。连接器直接从后部金属屏蔽的切口中伸出来。
当使用电流探头测量在测试USB电缆外部流动的CM电流时,我简单地将我的瑞士军刀的螺丝刀刀片卡住连接器连接手指和金属机箱外壳之间,并能够将整体电缆电流降低10至15 dB。
解决方案是制造一种带有弹簧指的定制垫片,它可以滑过所有的连接器,在连接器接地壳和屏蔽外壳内部之间建立牢固的连接。越来越多的低成本产品依赖PC板安装的I/O连接器作为削减成本的措施。任何时候你看到这个,准备仔细检查连接器接地壳和屏蔽外壳之间的连接。
使用当前探测器的故障排除提示
下面是一些使用当前探测的故障排除技巧。
1.当使用电流探头测量电缆上的谐波时,如果前后滑动探头改变了谐波电平,则部分耦合可能是近场耦合,而不是传导耦合。
2.使用一对电流探头时;两根电缆上各有一个,如果每根电缆的谐波相同,则源在中间。如果一根电缆的谐波更强,那么你会想先在那一侧工作。请参见下面的图12。
3.测量偶极子的两条可疑腿上的电流应该是一样的。把两个可疑的腿通过同一电流探头应该导致一个很大的减少,由于电流取消。请参见下面的图12。
4.当测量视频电缆电流时,电缆的大移动会引起振幅的大变化,耦合很可能是感应的,否则,它更可能是导电的。
5.如果你怀疑电感耦合,在受害者的相位将是180度从源。这可以在h场探头或电流探头的示波器上观察到。尝试使用作用域探测在源上同步作用域触发器。
我的同事道格·史密斯(Doug Smith)有更多关于如何使用电流探头测量电缆和PC板谐振、为故障排除注入脉冲、解释共模电流的相对相位和故障排除ESD问题的示例。请参阅下面的参考资料。
总结
在故障排除过程中,使用电流探头是至关重要的。粘接不良的电缆连接器可以很容易地识别和固定。产品I/O电缆的辐射电子场可以通过测量流经电缆的高频共模电流来计算。所有这些都可以在设计师的工作台上进行,而不需要第三方测试设备或屏蔽室的费用。
参考资料-文件
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参考资料-供应商
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