現在是把我們的目光專注到有害的EMI源上面的時候了。當我們從EMI的角度看任何一款產品時,整個設計可以被看作是能量源和天線的一個集合。EMI問題的常見(但絕不是唯一)源包括:
電源濾波器
地阻抗
沒有足夠的信號返回
LCD輻射
元件寄生參數
電纜屏蔽不良
開關電源(DC/DC轉換器)
內部耦合問題
金屬外殼中的靜電放電
不連續的返迴路徑
為了確定一塊特定電路板上的能量源以及位於特定EMI問題中心的天線,你需要檢查被觀察信號的周期。信號的射頻頻率是多少?是脈衝式的還是連續的?這些信號特徵可以使用基本的頻譜分析儀進行監視。
你還需要查看巧合性。待測設備(DUT)上的哪個信號與EMI事件是同時發生的?一般常見的做法是用示波器探測DUT上的電氣信號。檢查EMI問題與電氣 事件的巧合性無疑是EMI排查中最耗時間的工作。過去,將來自頻譜分析儀和示波器的信息以同步方式關聯在一起一直是很難做的一件事。
然而,混合域示波器(MDO)的推出使情況有了改觀,它能提供同步的而且與時間相關聯的觀察和測量功能。如圖1所示的這種儀器能夠相當容易地讓我們觀察哪個信號與哪個EMI事件同時發生,從而可以簡化EMI排查過程。
圖1:混合域示波器(MDO)將頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀組合在一台儀表內,可以從全部三台儀器中產生同步的而且與時間關聯的測量結果。圖中顯示的是泰克公司的MDO4000B。
MDO將混合信號示波器的功能和頻譜分析儀的功能整合在一起。藉助這種組合,你能夠自動顯示模擬信號特徵、數字時序、總線事務以及射頻並在這些信息基礎上實現觸發。一些MDO還能捕獲或觀察頻譜和時域軌跡,包括射頻幅度對時間、射頻相位對時間以及射頻頻率對時間的關係曲線。射頻幅度與時間軌跡如圖2所示。
圖2:這張圖顯示了MDO提供的時間關聯觀察功能,圖中顯示了射頻幅度與時間的關係軌跡。
用近場探測開展相對測量
雖然一致性測試過程設計用於產生絕對的校準過的測量,但排查工作很大程度上可以使用從待測設備發生的電磁場的相對測量方法。更有甚者,你可以使用MDO的頻譜分析儀功能和射頻通道探測近場中的波阻行為,從而找出能量源來。與此同時,你可以用示波器某個模擬通道上的無源探針探測信號,以便發現與射頻關聯的信號。
不過首先你得了解一些有關待探測的電磁場區的一些背景知識。圖3顯示了處於近場和遠場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區。從圖中可以看到,在近場區中,場的範圍可以從占主導地位的磁場到占主導地位的電場。在近場中,非輻射行為是主導的,因此波阻取決於源的性質和距源的距離。而在遠場中,阻抗是固定不變的,測量不僅取決於在近場中可觀察到的活動,而且取決於天線增益和測試條件等其它因素。
圖3:這張圖顯示了近場和遠場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區。近場測量可用於EMI排查。
近場測量是可用於EMI排查的一種測量,因為它不要求測試站點提供專門的條件就能讓你查出能量源。然而,一致性測試是在遠場中進行的,而不是近場。你通常不會使用遠場,因為有太多的變量讓它變得複雜起來:遠場信號的強度不僅取決於源的強度,而且取決於輻射機制以及可能採取的屏蔽或濾波措施。根據經驗需要記住,如果你能觀察遠場中的信號,那麼應該能看到近場中的相同信號。(然而,能觀察到近場中的信號而看不到遠場中的相同信號是很可能的)近場探針實際上就是設計用於拾取磁場(H場)或電場(E場)變化的天線。一般來說,近場探針沒有校準數據,因此它們適合用於相對測量。如果你對用於測量H場和E場變化的探針不熟悉,那麼最好了解一些近場探針設計和最佳使用方法:
H場(磁場)探針具有獨特的環路設計,如圖4所示。重要的是,H場探針的方向是有利於環路平面與待測導體保持一致的,這樣布置的環路可以使磁通量線直接穿過環路。
圖4:將H場探針與電流流向保持一致可以使磁場線直接穿過環路
環路大小決定了靈敏度以及測量面積,因此在使用這類探針隔離能量源時必須十分小心。近場探針套件通常包含許多不同的環路大小,以便你使用逐漸減小的環路尺寸來縮小測量面積。
H場探針在識別具有相對大電流的源時非常有用,比如:
低阻抗節點和電路
傳輸線
電源
端接導線和電纜
E場(電場)探針用作小型單極天線,並響應電場或電壓的變化。在使用這類探針時,重要的是你要保持探針垂直於測量平面,如圖5所示。
圖5:將E場探針垂直於導體放置以便觀察電場
在實際應用中,E場探針最適合查找非常小的區域,並識別具有相對高電壓的源以及沒有端接的源,比如:
高阻抗節點和電路
未端接的PCB走線
電纜
在低頻段,系統中的電路節點阻抗可能變化很大;此時要求一定的電路或實驗知識,以確定H場或E場能否提供最高的靈敏度。在較高頻段,這些區別可能非常顯著。在所有情況下,開展重複性的相對測量很重要,這樣你就能肯定因為實現的任何變化引起的近場輻射結果能被精確再現。最重要的是,每次試驗改變時近場探針的布局和方面要保持一致。
跟蹤EMI輻射源
在這個例子中,小型微控制器的EMI掃描指示有一個超限故障似乎來自於中心頻率約為144MHz的寬頻信號。藉助MDO的頻譜分析儀功能,第一步是將H場探針連接到射頻輸入端,用相對的近場測量定位能量源。
如上所述,重要的一點是H場探針的方向要讓環路平面與待測導體保持一致。在PCB周圍移動H場探針,你就可以定位能量源。通過選擇逐漸縮小孔徑的探針,你可以將搜索定位在一個較小的區域內。
一旦定位到明顯的能量源,如圖6所示的射頻幅度與時間軌跡就能顯示這個範圍內所有信號的完整的功率與時間關係。利用這個軌跡線可以清楚地看到顯示屏中有一個大的脈衝。移動頻譜時間使其通過記錄長度,很明顯可以看到EMI事件(中心位於140MHz左右的寬頻信號)直接對應於這個大脈衝。為了使測量穩定下來,打開射頻功率觸發器,然後增加記錄長度以判斷這個射頻脈衝發生的頻度。為了測量脈衝重複周期,打開測量標記並直接判斷周期。
圖6:MDO的射頻幅度與時間軌跡(上圖)顯示在140MHz處有一個顯著的脈衝。頻譜圖形(下圖)顯示了這個脈衝的頻率內容。
明確斷定EMI源的下一步是利用MDO的示波器功能。保持相同的設置,打開示波器的模擬通道1,瀏覽PCB以尋找與EMI事件同時發生的信號源。
在利用示波器探針瀏覽信號一段時間後,就可以發現圖7所示的信號:在這個案例中是一個電源濾波器。從顯示屏上可以清晰地看到,連接示波器通道1的信號與EMI事件直接相關。現在就可以制訂EMI修復計劃了,以便在開展認證測試之前解決這個問題。
圖7:使用示波器模擬通道上的無源探針找出與射頻關聯的信號
本文小結
不能通過EMI一致性測試可能將產品開發計劃置於風險之中。然而,預先一致性測試可以幫助你在到達這個階段之前排除EMI問題。與高度受控的EMI測試線中的絕對測量不同,你可以使用EMI測試報告中的信息開展相對測量,並用它來隔離問題源,並估計修復效果。
高效的EMI排查一般是利用近場探測方法尋找相對高的電磁場,判斷它們的特徵,然後使用混合域示波器將場活動與電路活動關聯在一起來判斷EMI源。本文概述的排查技術可以有效地幫助你隔離有害的能量源,以便於你在將設計提交給EMI認證之前修復這個問題。