Устранение неполадок EMI, шаг за шагом

В этой статье мы расскажем о шагах, которые мы обычно предпринимаем для устранения четырех проблем EMI, проводимых выбросов, излучения, излучаемого иммунитета и электростатического разряда.

В этой статье мы расскажем о шагах, которые мы обычно предпринимаем для устранения четырех проблем EMI, проводимых выбросов, излучения, излучаемого иммунитета и электростатического разряда. Из них последние три являются наиболее распространенными проблемами, поскольку излучаемые выбросы, как правило, являются провалом номер один. Если ваш продукт или система (EUT) имеют достаточную мощность и фильтрацию портов ввода / вывода, проводимые выбросы и другие тесты на неприкосновенность, связанные с линией электропередачи, обычно не являются проблемой.

Для вашего удобства мы разработали список рекомендованного оборудования, полезного для устранения неполадок EMI. Ссылка для загрузки указана в ссылке 1.


Проводимые выбросы

Это, как правило, не является проблемой при адекватной фильтрации линии электропитания, однако многие недорогие источники питания не имеют хорошей фильтрации. У некоторых брендов «без названия» нет фильтрации вообще! Проведенный тест на выбросы легко запускается, поэтому здесь вы идете.


Настройте свой анализатор спектра следующим образом:
  1. 1. Частота от 150 кГц до 30 МГц
  2. 2. Полоса пропускания разрешения = 10 или 9 кГц
  3. 3. Preamp = Off
  4. 4. Отрегулируйте опорный уровень, чтобы отобразились самые высокие гармоники, и вертикальная шкала читается с шагом в 10 дБ
  5. 5. Сначала используйте среднее обнаружение и обнаружение CISPR на любых пиках позже
  6. 6. Внутреннее затухание - начните сначала с 20 до 30 дБ и отрегулируйте для лучшего отображения и без перегрузки анализатора.
  7. 7. Установите вертикальные единицы на дБмкВ
Мы также хотели бы установить горизонтальный масштаб от линейного до log, поэтому частоты легче считывать.

Получите сеть стабилизации линейного импеданса (LISN) и установите ее между тестируемым продуктом или системой и анализатором спектра. Обратите внимание на последовательность соединений ниже!

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ : Часто бывает важно включить ИО перед подключением LISN к анализатору. Это связано с тем, что при подаче питания могут возникать большие переходные процессы и могут потенциально разрушить чувствительный входной каскад анализатора. Обратите внимание, что TekBox LISN имеет встроенную защиту от переходных процессов. Не все делают ... вас предупреждают!

Включите ИО и подключите 50-омный выходной порт LISN к анализатору. Обратите внимание, что гармоники обычно очень высокие на низких частотах и ​​уменьшаются до 30 МГц. Убедитесь, что эти более высокие гармоники не перегружают анализатор. При необходимости добавьте дополнительное внутреннее ослабление.

Сравнивая средние обнаруженные пики с соответствующими лимитами CISPR, вы сможете определить, проходит ли тестируемое оборудование или не работает до официального тестирования на соответствие.


Амбиентные передатчики

Одной из проблем, с которыми вы столкнетесь, является то, что при тестировании вне экранированной комнаты или полуэховой камеры есть количество окружающих сигналов от источников, таких как передатчики FM и ТВ, сотовый телефон и двустороннее радио. Это особенно важно при использовании токовых датчиков или внешних антенн. Я обычно запускаю базовый график на анализаторе, используя режим «Макс. Удержание», чтобы создать композитный окружающий график. Затем я активирую дополнительные трассы для фактических измерений. Например, у меня часто бывает три графика или трассы на экране; окружающая базовая линия, график «до» и участок «после» с некоторым исправлением.

Часто его проще сузить частотный диапазон на анализаторе спектра до нуля на конкретной гармонике, тем самым устраняя большинство окружающих сигналов. Если гармоника представляет собой узкополосную непрерывную волну (CW), то уменьшение ширины полосы разрешения (RBW) также может помочь отделить гармоники EUT от соседних окружений. Просто убедитесь, что уменьшение RBW также не уменьшает гармоническую амплитуду.

Еще одно предостережение состоит в том, что сильные соседние передатчики могут влиять на амплитудную точность измеренных сигналов, а также создавать смесительные продукты, которые кажутся гармониками, но являются действительно комбинациями частоты передатчика и схемы микшера в анализаторе. Возможно, вам потребуется использовать внешний полосовой фильтр на желаемой гармонической частоте, чтобы уменьшить влияние внешнего передатчика. Хотя более дорогой, приемник EMI с настроенным предварительным выбором был бы более полезен, чем обычный анализатор спектра в высокочастотных средах. Ключевыми технологиями и Rohde & Schwarz станут поставщики для рассмотрения. Все эти методы описаны более подробно в ссылке 3.

Излучаемые выбросы

Это, как правило, самый высокий риск. Настройте свой анализатор спектра следующим образом:

  1. 1. Частота от 10 до 500 МГц
  2. 2. Полоса пропускания разрешения = 100 или 120 кГц
  3. 3. Предусилитель = Вкл. (Или использовать внешний предусилитель 20 дБ, если анализатору этого не хватает)
  4. 4. Отрегулируйте опорный уровень, чтобы отобразились самые высокие гармоники, и вертикальная шкала читается с шагом в 10 дБ
  5. 5. Используйте положительное обнаружение пика
  6. 6. Установите внутреннее затухание = ноль

Иногда я предпочитаю устанавливать вертикальные единицы с дБм по умолчанию на дБмкВ, поэтому отображаемые цифры являются положительными. Это также тот же блок, который используется в тестовых пределах стандартов. Я также хотел бы установить горизонтальный масштаб от линейного до log, поэтому частоты легче считывать.

Я выполняю свое первоначальное сканирование до 500 МГц, потому что это, как правило, наихудший диапазон для цифровых гармоник. Вы также захотите записать выбросы, по крайней мере, до 1 ГГц (или выше), чтобы характеризовать любые другие доминирующие выбросы. Вообще говоря, разрешение гармоник более низкой частоты также уменьшит высшие гармоники.


Ближнее полевое зондирование

Большинство комплектов датчиков ближнего поля поставляются как с зондами E-field, так и с H-field. Выбор зондов H-field или E-field зависит от того, будете ли вы испытывать токи, то есть высокие di / dt - (трассы цепи, кабели и т. Д.) Или высокие напряжения - что EMI, dV / dt - ( импульсные источники питания и т. д.). Оба они полезны для обнаружения просачиваемых швов или зазоров в экранированных корпусах.

Начните с более крупного зонда H-field (рис. 1) и обнюхайте корпус продукта, печатную плату (платы) и подключенные кабели. Целью является выявление основных источников шума и конкретных узкополосных и широкополосных частот. Документируйте места и наблюдаемые доминирующие частоты. По мере того, как вы обнуляетесь в источниках, вы можете переключиться на зонды с H-полем меньшего диаметра, которые будут обеспечивать большее разрешение (но меньшую чувствительность).

Рисунок 1
Рисунок 1. Зонд ближнего поля используется для определения потенциальных источников выбросов.
фигура 2
Рисунок 2. Зонды H-field обеспечивают наилучшую чувствительность при ориентации по отношению к трассе цепи или кабелю, как показано на рисунке. Рисунок, любезность Патрик Андре.

Помните, что не все источники высокочастотной энергии, расположенные на доске, действительно излучают! Радиация требует некоторой формы связи с «антенноподобной» структурой, такой как кабель ввода-вывода, силовой кабель или шов в экранированном корпусе.

Сравните частоты гармоник с известными генераторами тактовых импульсов или другими высокочастотными источниками. Это поможет использовать калькулятор Clock Oscillator, разработанный моим соавтором Патриком Андре. См. Ссылку для загрузки в ссылке 2.

При применении потенциальных исправлений на уровне платы обязательно закрепите ближний полевой зонд, чтобы уменьшить изменение, которое вы испытаете при физическом расположении наконечника зонда. Помните, что мы в основном заинтересованы в относительных изменениях, применяя исправления.

Кроме того, зонды с H-полем наиболее чувствительны (будут соединяться с наибольшим магнитным потоком), когда их плоскость ориентирована параллельно трассе или кабелю. Также лучше расположить датчик под углом 90 градусов к плоскости печатной платы. См. Рисунок 2.

Текущий датчик Затем измерьте подключенные токи кабеля общего режима (включая силовые кабели) с помощью высокочастотного токового датчика, например, Fischer Custom Communications model F-33-1 или аналогичный (рисунок 3). Документируйте расположение верхних нескольких гармоник и сравните их со списком, определяемым ближним полевым зондированием. Они будут наиболее вероятны, чтобы действительно излучать и вызывать сбои в тестировании, поскольку они протекают на антенноподобных структурах (кабелях). Используйте поставляемую изготовителем калибровочную диаграмму передаточного импеданса для расчета фактического тока на определенной частоте. Обратите внимание, что для отказа от тестовых пределов FCC или CISPR требуется только от 5 до 8 мкА высокочастотного тока.

рисунок 3
Рисунок 3. Использование токового зонда для измерения высокочастотных токов, протекающих по входам / выходам и силовым кабелям.

Это хорошая идея для скольжения текущего зонда назад и вперед, чтобы максимизировать гармоники. Это связано с тем, что некоторые частоты будут резонировать в разных местах из-за стоячих волн на кабеле.

Также возможно предсказать излучаемое E-поле (V / m), учитывая ток, протекающий в проводе или кабеле, при условии, что длина электрически короткая на частоте беспокойства. Было показано, что это точно для кабелей длиной 1 м на частоте до 200 МГц. Подробнее см. В ссылке 3.


Замечание об использовании внешних антенн

Обратите внимание, что при использовании внешних EMI-антенн существуют две разные цели;

  1. 1. Относительное устранение неполадок, когда вы знаете области сбоев частот и должны уменьшить их амплитуды. Калиброванная антенна не требуется, так как важны только относительные изменения. Важно то, что гармоническое содержание от EUT должно быть легко видимым.
  2. 2. Предварительное тестирование соответствия, где вы хотите дублировать тестовую настройку, как это используется лабораторией тестирования соответствия. То есть, настраивая откалиброванную антенну на расстоянии 3 м или 10 м от тестируемого продукта или системы и заранее определяя, проходите или пропадаете.

Предварительное тестирование на излучение

Если вы хотите настроить тест на соответствие требованиям (№ 2 выше), то, учитывая калиброванную антенну EMI, расположенную на расстоянии 3 м или 10 м от испытуемого устройства, вы можете вычислить E-поле (дБмкВ / м), записав dBμV для анализатора спектра и факторизации в коаксиальных потерях, внешнем усилении предусилителя (если используется), любом внешнем аттенюаторе (если используется) и коэффициенте антенны (от калибровки антенны, предоставленной производителем). Затем этот расчет можно сравнить непосредственно с предельными значениями излучения излучения 3 м или 10 м, используя формулу:

E-field (dBμV / m) = SpecAnalyzer (dBμV) - PreampGain (дБ) + CoaxLoss (дБ) + AttenuatorLoss (дБ) + AntFactor (дБ)

Для целей этой статьи я сосредоточусь главным образом на процедуре устранения неполадок с использованием антенны с близким расстоянием (№ 1 выше) для общей характеристики гармонических уровней, которые фактически излучаются, и проверки возможных исправлений. Например, зная, что вы можете превысить предел на 3 дБ на некоторой гармонической частоте, ваша цель должна заключаться в том, чтобы уменьшить эту эмиссию на 6-10 дБ для адекватного запаса.

Рисунок 1
Рисунок 4. Типичная тестовая установка для измерения фактических излучаемых излучений при устранении причин.


Устранение неисправностей с помощью антенны с близким расстоянием

Как только гармонический профиль продукта полностью охарактеризован, пришло время увидеть, какие гармоники действительно излучают. Для этого мы используем антенну, расположенную на расстоянии не менее 1 м от тестируемого продукта или системы для измерения фактических выбросов (рисунок 4). Как правило, это будет утечка из подключенных входов / выходов или силовых кабелей, а также утечка в экранированном корпусе. Сравните эти данные с данными ближнего поля и токовых зондов. Можете ли вы определить вероятный источник (ы) отмеченных выбросов?

Попытайтесь определить, является ли кабельная радиация доминирующей проблемой, удаляя кабели один за другим. Вы также можете попробовать установить ферритовый дроссель на одном или нескольких кабелях в качестве теста. Используйте датчики ближнего поля, чтобы определить, происходит ли утечка из швов или отверстий в экранированном корпусе.

Как только источники выбросов будут идентифицированы, вы можете использовать свои знания в области фильтрации, заземления и экранирования для смягчения проблемных выбросов. Попробуйте определить путь сцепления внутри продукта к любым внешним кабелям. В некоторых случаях, возможно, потребуется изменить конфигурацию печатной платы, оптимизируя стекирование слоев или устраняя высокоскоростные следы, пересекающие промежутки в обратных плоскостях и т. Д. Наблюдая результаты в реальном времени с антенной, расположенной на некотором расстоянии, смягчение фаза должна идти быстро.



Общие вопросы

Существует ряд областей дизайна продукта, которые могут вызывать излучение:

  1. 1. Недопустимые окончания экранирования кабелей - главная проблема
  2. 2. Защита от утечек
  3. 3. Подключение внутренних кабелей к швам или области ввода / вывода
  4. 4. Высокоскоростные трассы, пересекающие зазоры в плоскости возврата
  5. 5. Под-оптимальный уровень стека
Обратитесь к ссылкам за дополнительной информацией о проблемах с системной и печатной платами, которые могут привести к сбоям в выбросах.

Излучаемая иммунитет

Большинство испытаний на излучение иммунитета проводят от 80 до 1000 МГц (или, в некоторых случаях, до 2,7 ГГц). Общие уровни испытаний - 3 или 10 В / м. Военная продукция может достигать 50-200 В / м, в зависимости от условий эксплуатации. Коммерческим стандартом для большинства продуктов является IEC 61000-4-3, чья тестовая установка весьма востребована. Однако, используя некоторые простые методы, вы можете быстро определить и устранить большинство проблем.

Ручное радио Для излучаемого иммунитета мы обычно начинаем снаружи ИО и используем бесконтактные переносные передатчики, такие как рации для радиослужб (FRS) (или эквивалентные) для определения областей слабости. Удерживая радиоприемники с малой мощностью близко к тестируемому продукту или системе, вы часто можете вызвать сбой (рисунок 5).

Удерживайте кнопку передачи и запустите радиоантенну вокруг тестируемого устройства. Это должно включать все кабели, швы, порты дисплея и т. Д.

рисунок 5
Рисунок 5. Использование бесконтактного передатчика для принудительного отказа.

Генератор RF

Очень распространено, что только определенные полосы частот восприимчивы, а иногда стационарные радиостанции с фиксированной частотой неэффективны. В этом случае я использую регулируемый радиочастотный генератор с прикрепленным зондом большого размера и зондом вокруг известных частот. Это также помогает исследовать внутренние кабели и плату для определения областей чувствительности. Для меньших продуктов, как показано на рисунке 6, попробуйте использовать меньшие зонды H-field для наилучшего физического разрешения.
рисунок 6
Рисунок 6. Использование RF-генератора и датчика H-поля для определения областей чувствительности.

Вместо более крупных генераторов радиочастотного качества я также использую меньший USB-управляемый RF-синтезатор, такой как Windfreak SynthNV (или эквивалент) с ближним полевым зондом. SynthNV может генерировать до +19 дБм радиочастотной мощности с 34 МГц до 4,4 ГГц, поэтому работает хорошо. Это также хорошо вписывается в набор исправлений ошибок EMI. См. Рис. 7. В Справочнике 1 вы найдете список рекомендуемых генераторов.

рисунок 7
Рисунок 7. Использование небольшого синтезированного RF-генератора для создания интенсивных RF-полей вокруг наконечника зонда

Электростатический разряд

Тестирование электростатического разряда лучше всего проводить с использованием тестовой установки, как описано в стандарте IEC 61000-4-2. Для этого требуется таблица испытаний и плоскости заземления определенных размеров. ИО размещается в середине тестового стола. Обычно я предлагаю заменить плитки пола медными или алюминиевыми 4 x 8-футовыми листами, которые будут вписываться прямо в пространство существующих плиток (рис. 8). Для тестирования требуется симулятор ESD, который доступен из нескольких источников. См. Ссылку 1. Я использую старый KeyTek MiniZap, который относительно мал и может быть отрегулирован на +/- 15 кВ. Существует несколько других подходящих (и более новых) конструкций.

рисунок 8
Рисунок 8. Настройка тестирования ESD в соответствии с IEC 6100-4-2. Изображение, любезность Кейт Армстронг.

Тестирование ОУР достаточно сложно для определения контрольных точек, но в основном есть два теста - сброс воздуха и разряд разряда. Используйте воздушный разряд для всех точек, где оператор мог касаться снаружи ИО. Используйте контактный разряд для всего открытого металла, где оператор мог касаться и разряжаться. Проверьте как положительные, так и отрицательные полярности. Для большинства коммерческих испытаний требуется контактный разряд 4 кВ и воздушный разряд 8 кВ.

Испытательная установка также включает горизонтальные и вертикальные соединительные плоскости. Используйте наконечник разгрузки контактов в плоскостях муфты. Эти плоскости нуждаются в высокоимпедансном пути разряда на землю. См. Стандарт IEC для получения подробной информации и точных процедур тестирования.


рисунок 9
Рисунок 9. Типичный симулятор ESD с воздушными и контактными разрядниками. Он может производить до +/- 15 кВ.

Резюме

Разрабатывая собственную лабораторию по поиску и устранению неисправностей EMI, вы сэкономите время и деньги, переведя процесс устранения неполадок на собственные средства, а не время планирования и связанные с этим затраты и задержки планирования, в зависимости от коммерческих тестовых лабораторий.

Большинство тестов EMI с высоким уровнем риска легко выполняются с использованием недорогого оборудования. Экономия затрат за счет устранения неполадок на вашем собственном предприятии может достигать сотен тысяч долларов и недель или месяцев задержки продукта.


Рекомендации

Рекомендуемый список оборудования для устранения неполадок EMI - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 1. Калькулятор тактового генератора часов (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2. Андре и Уайетт, EMI по поиску неисправностей поваренной книги для дизайнеров продуктов, SciTech, 2014.
  3. 3. Джофф и Лок, Основания для заземления, Wiley, 2010
  4. 4. Отт, Электромагнитная совместимость, Wiley, 2009
  5. 5. Мардигуан, методы устранения неполадок EMI, McGraw-Hill, 2000
  6. 6. Монтроуз, EMC Made Simple, Compliance Services, 2014
  7. 7. Моррисон, заземление и экранирование - схемы и помехи, Wiley, 2016
  8. 8. Williams, EMC для дизайнеров продуктов, Newnes, 2017


Не хотите ли Вы...