肯尼斯·怀亚特
怀亚特技术服务有限公司
由于上市时间和预算因素经常驱动当今的许多高科技设计,电磁兼容性(EMC)问题通常在设计周期的最后一刻才出现,可能会推迟产品的推出。通常,简单的故障排除技术可以在早期发现问题,此时实现的成本大大降低,并且可以在对进度影响较小的情况下进行设计改进。本文描述了一些简单的探测工具和技术,这些工具和技术有助于降低产品的辐射排放(RE),从而更好地为成功的辐射排放符合性测试做好准备。
介绍
通常有五个关键威胁构成了大多数电磁兼容性(EMC)问题:辐射发射、静电放电(ESD)、对射频场的敏感性、电源干扰和内部串扰。其中,辐射辐射(RE)可能是产品最难通过的测试。由于全球都有排放限制,不符合限制的产品可能无法在市场上销售。实现合规性的最佳方法是通过适当的产品设计,但通常这些设计技术在大学里没有教授,许多有经验的工程师也没有完全理解这些技术。其结果是EMC被认为是“黑魔法”,许多产品必须通过试错系统反复测试,才能最终达到合规性。
这是不幸的,因为如果设计师考虑到电路回路中的高频电流倾向于传播这些排放,那么产品可能产生的排放就很容易理解。这些电路回路可以是印刷电路走线(差模电流)或连接两个子系统的电缆(共模电流)的形式。也可能有这些现象的组合,以及不良的印刷电路板布局做法。产品的电路和系统设计通常属于电子工程师的工作范围。另一个考虑因素是产品的屏蔽性能,这通常属于机械工程师的领域。理想情况下,这两者必须作为一个团队一起工作,以解决整个产品,以便成功地解决EMC问题。
故障排除哲学
在解决任何辐射发射问题时,将问题以“源-路径-受体”模型的形式考虑是有用的。参见图1。
通常,辐射发射的源是高频晶体振荡器或其他高频、快边缘、大电流信号。asic、fpga和A/D或D/A转换器也可能产生这些高频谐波。共模电流的来源包括通过共阻抗产生的同步开关噪声(SSN),回流平面间隙上时钟走线的路由以及PC板或机箱中不平衡的物理结构或共振。
“路径”是将高频能量耦合到辐射元件(机箱槽、电缆等)上的耦合机构或手段。这可能包括传导、辐射、感应或电容耦合。
在大多数情况下,“受体”是测试现场具有特定发射限制的EMI接收器,但在现实世界中可能包括对无线电、电视或通信系统的干扰。
通过使用简单的测量探头,应该可以识别出一个或多个来源。一旦确定了源,就必须确定并固定路径或耦合机制。困难之处在于,在获得合格的结果之前,可能有多个来源和耦合机制需要识别和修复。此外,如果安装的补丁不正确,排放实际上会变得更糟!这可能就是EMC领域被认为如此神秘的原因。
通过使用结构化的方法,故障排除阶段应该进行得很顺利。一般来说,您会希望首先诊断问题-然后尝试各种修复。在继续进行故障排除过程时,请保留这些修复程序的安装。通过设置一个简单的天线和EMI接收器或频谱分析仪在固定距离(1到3米)从您的故障排除,您可以实时监控结果。然而,请注意,由于近场效应,1m处10 dB的辐射下降并不一定表明测量室中也有相同的下降。
确定来源
第一步总是要确定可能的来源。例如,如果你在300或500兆赫频率下失败,这些是100兆赫时钟振荡器的第三次或第五次谐波吗?内存时钟怎么样?一般来说,内存地址和数据总线是相当随机的。例外的是A0或D0线,它们以相对非随机的速率进行计时。那么asic或fpga的时钟线呢?如果你有多个晶体振荡器,这可能是造成特定谐波的原因,对其中一个使用冷冻喷雾,那么另一个通常可以识别出有问题的振荡器。
频率
频率是任何辐射发射问题的关键。作为一个快速的经验法则,频率越高,耦合路径被辐射的可能性越大。频率越低,路径越可能被传导。事实上,合规性测试期间常见的中断频率是30 MHz。在此之下,我们测量传导发射(CE) -在此之上,我们测量RE。如果您的产品使用具有快速边缘速度的高频晶体振荡器,则可以用公式1中的公式估算谐波含量。
方程1。最大RE频率估计,其中f = EMI频率(Hz)和tr= risetime(秒)。
例如,对于1 nsec逻辑,谐波内容可能集中在300 MHz左右。另一个经验法则是,对于低于约300 MHz的频率,问题很可能是由于电缆的共模发射;问题很可能是来自金属机箱插槽或接缝的辐射或电路板辐射。
维
物理结构的尺寸也是排除排放问题的一个重要因素。回想一下,在自由空间中,频率为f的谐振线的波长(m)为:
方程2。导线在自由空间中的波长,其中c =光速(m/s), f =频率(Hz)。
物理结构的尺寸,如电路板,必须通过电路板材料的速度因子来减小(例如,FR4电路板为4.7)。然而,典型的电缆,如USB或视频,大约1米长,可以认为是在空闲空间。电线或槽可能在四分之一波长的倍数处产生强烈的共振。例如,1米长的电缆具有300 MHz的全波共振,但也可能在150和75 MHz强烈辐射。8至15厘米的槽或接缝可能在500至800兆赫的区域产生共振。根据一般经验,波长为1/ 20或更大的辐射电缆或机箱槽开始成为RE的重要辐射元件(或天线)。
有用的工具
天线
理想情况下,您选择的天线应该接近所关注频率的谐振,然而,对于故障排除来说,这并不是那么重要。只要天线的长度和位置固定在工作台上,你就会得到一致的结果。在故障排除期间,更重要的是要知道修复是“更好”、“更差”还是“没有更改”,只要测试设置没有更改,结果应该是可信的。
现在,正如您可能想象的那样,EMC天线并不便宜,所以对于一般的故障排除,我倾向于使用一对便宜的电视天线-一对“兔子耳朵”和一个UHF“领结”(用电视巴伦来匹配50欧姆同轴电缆)。参见图2。
如果工作台是木制的,我会将天线延伸到近似共振(如果可能的话),并用管道胶带将其粘在工作台上。如果长凳是金属的,我会找一个不导电的支架,把它放在离长椅一段距离的地方。我通常使用大约一米的测试距离,但只要你能在频谱分析仪上看到产品的谐波,你就能确定你的进度。有时我需要在天线和分析仪之间插入一个低噪声的宽带前置放大器。
现在,很明显,来自广播电台、电视移动电话和双向无线电服务的环境信号往往会干扰产品谐波的观测。您可能需要将天线拉近,或将故障排除测量设置在地下室或远离室外窗户的建筑物内部。我通常使用h场探头或将测量天线靠近,然后尝试将它们与附近的其他环境信号联系起来,来记录已知的相关谐波。
探针
有各种有用的探测可以用来排除RE问题;e场,h场和电流探头。1所有这些都很容易在实验室制作,或者可以从几家制造商那里买到。电子场探头可以通过将中心导体从半刚性同轴电缆或高质量柔性同轴电缆的截面上延伸约0.5厘米来制成;然后将同轴连接器连接到另一端。在探头的末端缠上绝缘胶带可以避免探头与电路迹线的短路。一个有用的h场探头可以通过将中心导体绕成环形,并将其焊接到屏蔽层上,形成一个直径0.5 - 5厘米的小环路——环路越大,灵敏度越高。一个更好的h场探头设计使用半刚性同轴电缆来形成环路(见图3和图4中的例子)。偶尔,我需要放大谐波信号,因此使用一个自制的宽带前置放大器,如图5所示。蜂巢电子公司也生产一种低成本的放大器。
故障排除步骤
定位内部资源
将探头连接到EMI接收机或频谱分析仪的输入端,以显示探头与电路迹线或机箱槽紧密接触时的谐波。根据h场探头的直径,您可能需要在探头和分析仪之间使用宽带前置放大器。2
一般来说,一旦你完成了源的绘制,你应该从较低的谐波开始,然后向上工作。通常,低频源会引起显著的高频谐波,这取决于上升时间。通过固定低频源,通常也可以解决高频谐波。接下来,先检查线缆,再检查机箱。
电缆
接下来检查一下你的电缆,因为它们通常是最坏的罪犯。移动“热”电缆将改变RE水平。我通常拔掉所有的电线;然后试着把它们分别代入,找出所有有辐射的。记住,坏的电缆可能不止一条!在电缆底部加一个铁氧体扼流圈可能会起到临时修复的作用。我发现大多数电缆排放很可能是由于I/O连接器的外壳接地不良。
电缆共模电流也可以用电流探头直接测量频率。3.使用电流探头通常比天线工作得更好,因为电流探头由于其电场屏蔽而倾向于接收更少的环境信号。将探针夹在电缆周围,来回移动以最大限度地提高读数,然后在应用潜在修复时将其固定在适当的位置。
您可以制作自己的电流探头或购买商业版本。商用版本的优点是,它们可以打开并夹在电缆上。我的DIY探针示例如图7所示,而商业版本如图8所示。
方程3。给定测量的V和Zt的Ic计算(来自图11).接下来,将Ic代入式4,计算预测的电子场发射水平(V/m)。将其转换为dBuV/m将表示由于正在测量的电缆而通过或失败。
计算CM信号的发射电平(伏特/米)的公式如下式4所示。
方程4。CM电流产生的场电平(V/m),其中f =频率(Hz), L =导线长度(m), d =测量距离(一般为3m或10m)。
槽和接缝
一旦电缆和相关的I/O连接器寻址,就可以通过机箱中的插槽或接缝探测辐射泄漏。记住,缝或缝的长度很重要。任何有泄漏的接缝,其有效长度大于有关谐波波长的1/ 20,都有可能成为有效的辐射体。例如,2.5 cm的插槽可以在1000mhz的频率下开始辐射谐波。我使用永久性标记笔来记录泄漏的区域和频率,从外壳上的每个缝/槽。
一旦这些标记,我将小心地用铜带覆盖所有开口,并重新测量RE水平。密切关注RE级别,我将开始逐条删除磁带,以确定哪些插槽或接缝实际上导致了问题。通常,仅仅几个槽或接缝就会引起大多数问题。一旦泄漏被确定,您可以与您的机械工程师确定适当的修复。
故障诊断工具
为了快速进行故障排除和分析,我将EMC故障排除工具包组装到便携式Pelican箱子中,可以直接推到工程师的工作台上。主要内容包括一个小型频谱分析仪(Thurlby Thander PSA2701T,可从Newark Electronics购买),一个宽带前置放大器(Mini-Circuit Labs或Beehive Electronics),小型DIY天线,各种探头和其他配件。其他有用的项目为您的故障排除套件包括铁氧体扼流圈,铝箔,铜带,电源线滤波器,信号滤波器和各种值的电阻和电容器。图12显示了内容的总体视图。
总结
为了通过辐射发射所需的EMC测试,有必要了解电流流过回路的基本概念,以及差模和共模电流及其产生方式。
对现有设计进行故障排除只是识别可能的源、通过探测确定耦合路径以及应用临时修复的过程。一旦应用了这些修复并且产品通过测试,那么电子和机械工程师就可以确定最具成本效益的解决方案。显然,为了降低总体实现成本,最好在设计周期的早期对产品进行故障排除或特征化。
老肯尼斯·怀亚特怀亚特技术服务有限责任公司EMC工程师,拥有生物学和电子工程学位,曾在惠普和安捷伦科技公司担任高级EMC工程师21年。他还在多家航空航天公司担任了10年的产品开发工程师,涉及的项目从DC-DC电源转换器到舰载和空间系统的射频和微波系统。可以通过……联系他
(电子邮件保护).
1.探头制造商包括Fischer Custom Communications, Beehive Electronics或Teseq。
2.我使用minicirits模型ZX60-3018G-S制作了自己的宽带前置放大器,它覆盖20至3000 MHz, 18-23 dB增益和2.7 dB噪声图。它售价50美元。
3.商业电流探头可从费舍尔定制通信,Teseq或太阳能电子,以及许多其他。
4.用于电缆测试的手持频谱分析仪由Thurlby Thander Instruments公司生产。它的售价约为1995美元,覆盖1 MHz到2.7 GHz。