EMI-fejlfinding, trin for trin

I denne artikel beskriver vi de trin, vi normalt tager for at fejle de fire top EMI-problemer, udførte emissioner, udstrålede emissioner, udstrålet immunitet og elektrostatisk udladning.

I denne artikel beskriver vi de trin, vi normalt tager for at fejle de fire bedste EMI-problemer, udførte emissioner, udstrålede emissioner, udstrålet immunitet og elektrostatisk udladning. Af disse er de sidste tre de mest udbredte problemer, idet udstrålede emissioner typisk er nummer 1-fejl. Hvis dit produkt eller system (EUT) har tilstrækkelig strøm- og I / O-portfiltrering, udførte emissioner, og de andre strømforsyningsrelaterede immunitetstests normalt ikke er et problem.

For nemheds skyld har vi udviklet en liste over anbefalet udstyr, der er nyttigt til fejlfinding af EMI. Downloadlinket er angivet i Reference 1.


Udledte emissioner

Dette er normalt ikke et problem med tilstrækkelig strømlinjefiltrering, men mange billige strømforsyninger mangler god filtrering. Nogle "ingen navn" mærker har slet ingen filtrering! Den udførte emissionstest er let at løbe, så her går du.


Konfigurer din spektrumanalysator som følger:
  1. 1. Frekvens 150 kHz til 30 MHz
  2. 2. Opløsning båndbredde = 10 eller 9 kHz
  3. 3. Preamp = Off
  4. 4. Juster referenceniveauet, så de højeste harmonier vises, og den lodrette skala læses i lige 10 dB intervaller
  5. 5. Brug gennemsnitsdetektion i begyndelsen og CISPR-detektion på nogle toppe senere
  6. 6. Intern dæmpning - start med 20 til 30 dB i første omgang og juster for bedste visning og ingen analysator overbelastning.
  7. 7. Indstil de lodrette enheder til dBμV
Vi kan også lide at indstille den vandrette skala fra lineær til log, så frekvenser er nemmere at læse.

Få et lineimpedansstabiliseringsnetværk (LISN) og position det mellem det produkt eller system, der skal testes og spektrumanalysatoren. Bemærk rækkefølgen af ​​forbindelsen nedenfor!

FORSIGTIG : Det er ofte vigtigt at tænde for EUT før tilslutning af LISN til analysatoren. Dette skyldes, at store transienter kan forekomme ved opstart og muligvis ødelægge analysatorens følsomme indgangsstadium. Bemærk, at TekBox LISN har indbygget transient beskyttelse. Ikke alle gør ... du er blevet advaret! 4.

Tænd for EUT'en, og tilslut derefter 50-ohm-udgangsporten til LISN'et til analysatoren. Bemærk at harmonikerne normalt er meget høje ved de lavere frekvenser og aftages mod 30 MHz. Vær sikker på, at disse højere harmonikere ikke overdriver analysatoren. Tilføj yderligere intern dæmpning, hvis det er nødvendigt.

Ved at sammenligne de gennemsnitlige detekterede toppe med de relevante CISPR-grænser, vil du være i stand til at fortælle, om EUT passerer eller fejler forud for formel overensstemmelsestest.


Omgivende sendere

Et problem, du straks vil løbe ind i, er, at når du tester uden for et afskærmet rum eller semi-anechoic-kammer, er antallet af omgivende signaler fra kilder som FM- og tv-udsendingssendere, mobiltelefon og tovejs radio. Dette er især et problem, når du bruger aktuelle sonder eller eksterne antenner. Jeg vil som regel køre et baseline-plot på analysatoren ved hjælp af "Max Hold" -tilstanden for at opbygge et komposit-omgivende plot. Derefter aktiverer jeg yderligere spor for de faktiske målinger. For eksempel har jeg ofte tre plots eller spor på skærmen; den omgivende basislinie, "før" plottet og "efter" plottet med nogle fikserede applikationer.

Ofte er det lettere at indsnævre frekvensspændingen på spektrumanalysatoren ned til nul ind på en bestemt harmonisk, hvilket eliminerer de fleste af de omgivende signaler. Hvis harmonikken er smalbånds kontinuerlig bølge (CW), kan reducering af båndbredde (RBW) også hjælpe med at adskille EUT-harmonikerne fra nærliggende omgivelser. Bare vær sikker på at reducere RBW reducerer ikke også den harmoniske amplitude.

En anden advarsel er, at stærke nærliggende sendere kan påvirke amplitudenøjagtigheden af ​​de målte signaler, samt skabe blandingsprodukter, der synes at være harmoniske, men er virkelig kombinationer af senderfrekvens og mixerkredsløb i analysatoren. Det kan være nødvendigt at bruge et eksternt båndpasfilter ved den ønskede harmoniske frekvens for at reducere påvirkning af den eksterne sender. Selv om det er dyrere, ville en EMI-modtager med indstillet forudvalg være mere nyttigt end en normal spektrumanalysator i høj RF-miljøer. Keysight Technologies og Rohde & Schwarz ville være leverandører til at overveje. Alle disse teknikker er beskrevet mere detaljeret i reference 3.

Radierede emissioner

Dette er normalt den højeste risikotest. Konfigurer din spektrumanalysator som følger:

  1. 1. Frekvens 10 til 500 MHz
  2. 2. Opløsning båndbredde = 100 eller 120 kHz
  3. 3. Preamp = On (eller brug en ekstern 20 dB forkamp, ​​hvis analysatoren mangler dette)
  4. 4. Juster referenceniveauet, så de højeste harmonier vises, og den lodrette skala læses i lige 10 dB intervaller
  5. 5. Brug positiv peak detektion
  6. 6. Indstil den interne dæmpning = nul

Nogle gange foretrækker jeg at indstille de lodrette enheder fra standard dBm til dBμV, så de viste tal er positive. Dette er også den samme enhed, der anvendes i standardernes testgrænser. Jeg kan også lide at indstille den vandrette skala fra lineær til log, så frekvenser er nemmere at læse.

Jeg udfører min første scanning op til 500 MHz, for det er normalt det værste tilfælde band til digitale harmonikere. Du vil også optage emissionerne mindst op til 1 GHz (eller højere) for at karakterisere andre dominerende emissioner. Generelt vil opløsningen af ​​de lavere frekvensovertoner også reducere de højere harmoniske.


Nærliggende feltprobing

De fleste nærfelt sonde kits leveres med både E-felt og H-felt prober. At bestemme H-felt- eller E-feltprober afhænger af, om du vil undersøge strømme - det vil sige høj di / dt - (kredsløbspor, kabler osv.) Eller højspændinger - at EMI er dV / dt - ( skifte strømforsyninger mv.). Begge er nyttige til at lokalisere lækre sømme eller huller i afskærmede kabinetter.

Start med den større H-feltprobe (Figur 1) og snus rundt om produktskabet, printkortet og de tilsluttede kabler. Målet er at identificere store støjkilder og specifikke smalbånds- og bredbåndsfrekvenser. Dokumentér de observerede steder og dominerende frekvenser. Når du er nul i kilder, kan du tænke dig at skifte til H-feltprober med mindre diameter, hvilket giver større opløsning (men mindre følsomhed).

figur 1
Figur 1. En nærfelt probe anvendes til at identificere potentielle kilder til emissioner.
figur 2
Figur 2. H-feltprober giver den bedste følsomhed, når den er orienteret i forhold til kredsløbssporet eller kablet som vist. Figur, høflighed Patrick André.

Husk at ikke alle kilder til højfrekvent energi, der er placeret på brættet, vil udstråle! Stråling kræver en form for kobling til en "antennelignende" struktur, såsom et I / O-kabel, strømkabel eller søm i det afskærmede kabinet.

Sammenlign de harmoniske frekvenser med kendte uroscillatorer eller andre højfrekvente kilder. Det vil hjælpe med at bruge Clock Oscillator Calculator, udviklet af min medforfatter, Patrick André. Se downloadlinket i Reference 2.

Når du anvender potentielle rettelser på brættet, skal du sørge for at båndet ned i nærfelt sonden for at reducere den variation, du vil opleve i sonde spidsens fysiske placering. Husk, vi er primært interesserede i relative ændringer, da vi anvender rettelser.

H-feltprober er også mest følsomme (vil forbinde den mest magnetiske flux), når deres plan er orienteret parallelt med sporet eller kablet. Det er også bedst at placere sonden 90 grader til PC boardets plan. Se figur 2.

Nuværende sonde Følg derefter de vedhæftede common-mode-kabelstrømme (herunder strømkabel) med en højfrekvent strømprobe, som Fischer Custom Communications-modellen F-33-1 eller tilsvarende (Figur 3). Dokumentér placeringen af ​​de øverste adskillige harmoniske og sammenlign med listen bestemt ved nærliggende feltundersøgelse. Disse vil højst sandsynligt udstråle og forårsage testfejl, fordi de strømmer på antennelignende strukturer (kabler). Brug producentens leverede kalibreringsdiagram over overføringsimpedans til at beregne den aktuelle strøm ved en bestemt frekvens. Bemærk, at det kun tager 5 til 8 μA højfrekvent strøm for at mislykkes FCC- eller CISPR-testgrænserne.

figur 3
Figur 3. Anvendelse af en strømføler til måling af højfrekvensstrømme, der strømmer på I / O og strømkabler.

Det er en god ide at skubbe den aktuelle sonde frem og tilbage for at maksimere harmonikerne. Dette skyldes, at nogle frekvenser vil resonere på forskellige steder på grund af stående bølger på kablet.

Det er også muligt at forudsige det udstrålede E-felt (V / m) givet strømstrømmen i en ledning eller et kabel, idet antagelsen er, at længden er elektrisk kort med hyppigheden af ​​bekymring. Dette har vist sig at være korrekt for 1m lange kabler på op til 200 MHz. Se Reference 3 for detaljer.


Bemærk om brug af eksterne antenner

Bemærk, at der er to forskellige mål ved brug af eksterne EMI-antenner;

  1. 1. Relativ fejlfinding, hvor du kender områder med svigtende frekvenser og behovet for at reducere deres amplituder. En kalibreret antenne er ikke nødvendig, da kun relative ændringer er vigtige. Det vigtige, jeg harmoniserende indhold fra EUT bør være let synlig.
  2. 2. Præcisionskontrol, hvor du ønsker at duplikere testopsætningen som brugt af compliance test lab. Det vil sige at oprette en kalibreret antenne på 3m eller 10m væk fra det produkt eller system, der skal testes, og på forhånd bestemme, om du passerer eller fejler.

Pre-Compliance Testing for Radiated Emissions

Hvis du ønsker at oprette en præ-compliance-test, (# 2 ovenfor), og derefter få en kalibreret EMI-antenne på 3m eller 10m væk fra EUT, kan du beregne E-feltet (dBμV / m) ved at optage dBμV-aflæsning af spektrumanalysatoren og factoring i coax tabet, ekstern forstærkningsgevinst (hvis brugt), ekstern dæmper (hvis anvendt) og antennefaktor (fra antennekalibrering fra producenten). Denne beregning kan derefter sammenlignes direkte med de 3m eller 10m udstrålede emissionstestgrænser ved hjælp af formlen:

E-felt (dBμV / m) = SpecAnalyzer (dBμV) - PreampGain (dB) + CoaxLoss (dB) + AttenuatorLoss (dB) + AntFactor (dB)

I denne artikel vil jeg først og fremmest fokusere på proceduren til fejlfinding ved hjælp af en antenne med tæt afstand (# 1 ovenfor) til generel karakterisering af harmoniske niveauer, der faktisk udstråles og testning af potentielle rettelser. For eksempel ved at vide, at du kan være over grænsen med 3 dB på en eller anden harmonisk frekvens betyder dit mål at være at reducere denne emission med 6 til 10 dB for en passende margin.

figur 1
Figur 4. En typisk testopsætning til måling af faktiske udstrålede emissioner, mens fejlfinding af årsagerne.


Fejlfinding med en tætnet antenne

Når produktets harmoniske profil er fuldt karakteriseret, er det tid til at se, hvilke harmonier der faktisk udstråler. For at gøre dette bruger vi en antenne adskilt mindst 1 m væk fra produktet eller systemet under test for at måle de faktiske emissioner (Figur 4). Det vil typisk være lækage fra vedhæftede I / O- eller elkabler samt lækage i det afskærmede kabinet. Sammenlign disse data med den for nærområdet og aktuelle prober. Kan du nu bestemme den sandsynlige kilde (r) for de angivne emissioner?

Prøv at afgøre, om kabelstråling er det dominerende problem ved at fjerne kablerne en efter en. Du kan også prøve at installere en ferrit choke på en eller flere kabler som en test. Brug de nærliggende prober til at bestemme, om lækage også forekommer fra sømme eller åbninger i det afskærmede kabinet.

Når emissionskilderne er identificeret, kan du bruge din viden om filtrering, jordforbindelse og afskærmning for at mindske problememissionerne. Prøv at bestemme koblingsbanen inde fra produktet til eventuelle eksterne kabler. I nogle tilfælde må printkortet muligvis omstruktureres ved at optimere lagstabellen eller ved at eliminere højhastighedsspor, der krydser huller i returfly. Osv. Ved at observere resultaterne i realtid med en antenne adskilt et stykke væk, reduceres reduktionen fase skal gå hurtigt.



Almindelige problemer

Der er en række produktdesignområder, der kan forårsage udstrålede emissioner:

  1. 1. Dårlig kabelafskærmning er det største problem
  2. 2. Lækre produktafskærmning
  3. 3. Interne kabler kobling til sømme eller I / O-områder
  4. 4. Spor med høj hastighed, der krydser huller i returplanet
  5. 5. Sub-optimal lag stack-up
Se referencerne for yderligere oplysninger om system- og pc-boarddesignproblemer, der kan forårsage udslipfejl.

Radieret immunitet

De fleste udstrålede immunitetstests udføres fra 80 til 1000 MHz (eller i nogle tilfælde så højt som 2,7 GHz). Fælles testniveauer er 3 eller 10 V / m. Militære produkter kan gå så højt som 50 til 200 V / m afhængigt af driftsmiljøet. Handelsstandarden for de fleste produkter er IEC 61000-4-3, hvis testopsætning er ret involveret. Men ved hjælp af nogle enkle teknikker kan du hurtigt identificere og løse de fleste problemer.

Håndholdt radio For udstrålet immunitet starter vi generelt uden for EUT og bruger licensfrie håndholdte sendere, som f.eks. Family Radio Service (FRS) walkie-talkies (eller tilsvarende) for at bestemme svagheder. Ved at holde disse lave strømradioer tæt på det produkt eller system, der testes, kan du ofte tvinge en fejl (figur 5).

Hold senderen nede og kør radioantenne hele EUT. Dette skal omfatte alle kabler, sømme, displayporte osv.

figur 5
Figur 5. Brug en licensfri sender til at tvinge en fejl.

RF Generator

Det er meget almindeligt, at kun visse frekvensbånd er modtagelige, og undertiden er de faste frekvenshåndholdte radioer ikke effektive. I så fald bruger jeg en justerbar RF generator med vedhæftet stor H-felt probe og sonde rundt ved kendte fejlfrekvenser. Det hjælper også med at teste de interne kabler og PC-kort for at bestemme områder med følsomhed. For mindre produkter, som i figur 6, prøv at bruge de mindre H-feltprober for den bedste fysiske opløsning.
figur 6
Figur 6. Brug af en RF generator og H-felt probe til at bestemme områder med følsomhed.

I stedet for de større RF-generatorer af laboratoriekvalitet bruger jeg også en mindre USB-styret RF-synthesizer, såsom Windfreak SynthNV (eller tilsvarende) med nærfeltproben. SynthNV kan producere op til +19 dBm RF-strøm fra 34 MHz til 4,4 GHz, så det fungerer godt. Dette passer også fint ind i mit EMI-fejlfindingskit. Se figur 7. Du finder en liste over anbefalede generatorer i Reference 1.

figur 7
Figur 7. Brug en lille syntetiseret RF generator til at producere intense RF felter omkring sonde tip

Elektrostatisk udladning

Test af elektrostatisk afladning udføres bedst ved hjælp af en testopsætning som beskrevet i IEC 61000-4-2-standarden. Dette kræver en testtabel og jordplaner af visse dimensioner. EUT er placeret midt i testtabellen. Jeg foreslår normalt at erstatte gulvfliser med kobber eller aluminium 4 x 8 fods ark, som passer helt ind i de eksisterende flises rum (figur 8). Test kræver en ESD-simulator, som er tilgængelig fra en række kilder. Se Reference 1. Jeg bruger den ældre KeyTek MiniZap, som er relativt lille og kan justeres til +/- 15 kV. Der er flere andre egnede (og nyere) designs.

figur 8
Figur 8. ESD test setup i henhold til IEC 6100-4-2. Billede, høflighed Keith Armstrong.

ESD-test er ret kompleks for så vidt angår identifikation af testpunkterne, men i grunden er der to tests - luftafladning og kontaktafladning. Brug luftudladning til alle punkter, hvor en operatør kunne røre uden for EUT. Brug kontaktudladning til alt eksponeret metal, hvor en operatør kunne røre og aflade i. Test både positive og negative polariteter. De fleste kommercielle test kræver 4 kV kontaktudladning og 8 kV luftudladning.

Testopsætningen omfatter også vandrette og vertikale koblingsplaner. Brug kontaktudladningstipen i koblingsplanerne. Disse fly har brug for en højimpedansudladningsvej til jorden. Se IEC-standarden for detaljer og præcise testprocedurer.


figur 9
Figur 9. En typisk ESD-simulator med luft- og kontaktudladningstip. Det kan producere op til +/- 15 kV.

Resumé

Ved at udvikle din egen EMI-fejlfinding og præ-compliance test lab, sparer du tid og penge ved at flytte fejlsøgningsprocessen internt i stedet for planlægningstid og de tilhørende omkostninger og planlægningsforsinkelser afhængigt af kommercielle testlaboratorier.

De fleste af EMI-testene med høj risiko udføres let med lavprisudstyr. Omkostningsbesparelsen ved at udføre fejlfinding på eget udstyr kan montere op til hundrede tusinder af dollars og uger eller måneder af produktforsinkelser.


Referencer

Anbefalet liste over EMI fejlfinding udstyr - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 1. Clock Oscillator Calculator (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2. André og Wyatt, EMI Fejlfinding Cookbook for Product Designers, SciTech, 2014.
  3. 3. Joffe and Lock, Grounds For Grounding, Wiley, 2010
  4. 4. Ott, Elektromagnetisk Kompatibilitets Engineering, Wiley, 2009
  5. 5. Mardiguian, EMI Fejlfindingsteknikker, McGraw-Hill, 2000
  6. 6. Montrose, EMC Made Simple, Montrose Compliance Services, 2014
  7. 7. Morrison, jordforbindelse og afskærmning - kredsløb og interferens, Wiley, 2016
  8. 8. Williams, EMC For Product Designers, Newnes, 2017


Har du lyst til...