探頭和電流探頭進(jìn)行EMI干擾排查

簡(jiǎn)介
在開發(fā)電子產(chǎn)品的過程中，電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）是工程師們不得不考慮的問題。電磁干擾（EMI）可能會(huì)導(dǎo)致許多問題，尤其是在產(chǎn)品開發(fā)階段或產(chǎn)品驗(yàn)收階段。如果電路設(shè)計(jì)受到電磁干擾的影響，可能會(huì)出現(xiàn)亂碼顯示，數(shù)據(jù)接觸不良或者是其他線路故障。為了限度地減少電磁干擾的影響，各個(gè)國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)都制定并實(shí)施了針對(duì)各個(gè)產(chǎn)品類型的EM輸出的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，一般我們稱為電磁兼容性（EMC）測(cè)試。所有電子相關(guān)的產(chǎn)品在上市前必須強(qiáng)制性通過電磁兼容性測(cè)試。
許多EMC兼容測(cè)試失敗的原因主要來源于電路中的射頻能量泄漏和電路板設(shè)計(jì)本身的相互影響。引起這種干擾的電場(chǎng)和磁場(chǎng)肉眼是不可見的，并且當(dāng)我們想要深究其原因以期能小化EMI影響時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)，問題是非常復(fù)雜的。

是什么導(dǎo)致了這個(gè)問題？
造成輻射干擾的信號(hào)或能量來源在哪里？
我該如何解決？
 
好在，我們可以通過一些簡(jiǎn)單的工具和技術(shù)來幫助識(shí)別EMI干擾源。一旦確定了干擾源，我們就可以開始著手解決問題。那么怎么去找出干擾源呢？我們需要用到一種技術(shù)，這種技術(shù)不是嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)EMC兼容測(cè)試，而是一種預(yù)測(cè)試，它可以幫助我們快速找到干擾源可能存在的地方，并且不需要昂貴的專業(yè)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室裝置。
在本篇應(yīng)用指南中，我們將介紹一些常用的預(yù)兼容測(cè)試相關(guān)的技術(shù)，例如使用近場(chǎng)探頭和電流探頭來查找可能的EMI泄漏源。此項(xiàng)技術(shù)可以快速地識(shí)別問題，有效地節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。此外，通過一些小小的家具，就可以創(chuàng)建出可重復(fù)的測(cè)試站來關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以在你下一款產(chǎn)品進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)提供很有價(jià)值的參考。
 
需要注意的是，預(yù)一致性測(cè)試旨在于幫助識(shí)別和解決可能會(huì)阻礙EMC認(rèn)證的問題，并不能*替代認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的EMC合規(guī)測(cè)試。

2、電磁輻射基礎(chǔ)知識(shí)

電磁輻射常見的產(chǎn)生方式是導(dǎo)體中電流的突變或者電壓的驟升，輻射的路徑通過PCB走線，器件的引腳，連接器或者是其它的金屬介質(zhì)，包括機(jī)箱，機(jī)架或者是產(chǎn)品的外殼。電磁輻射實(shí)際上是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用，相互影響。它常常被這樣描述：正交時(shí)變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的傳播，如下圖1 所示。

圖1 圖左上角是電磁波的傳播，注意，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是互相正交的

圖2  由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)

和磁場(chǎng)不一樣，電場(chǎng)由移動(dòng)或者靜止的電荷產(chǎn)生。因此，當(dāng)在散熱片或金屬外殼等諸如此類導(dǎo)電體的表面上產(chǎn)生電磁輻射時(shí)，電場(chǎng)產(chǎn)生的輻射會(huì)居于主導(dǎo)地位。電場(chǎng)產(chǎn)生的影響也傾向于遠(yuǎn)離源（遠(yuǎn)場(chǎng)）。某些環(huán)境因素如無線電臺(tái)，wifi或者是人為的射頻干擾信號(hào)，都使得遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，比如說某個(gè)兼容測(cè)試中的信號(hào)發(fā)射部分的測(cè)量，要求測(cè)量者擁有比進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量更復(fù)雜的設(shè)備和更豐富的知識(shí)。
 
通過測(cè)量由導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的幅值和頻率，我們可以找出可能導(dǎo)致EMI干擾問題的區(qū)域。

3、設(shè)備清單

以下是一些用于近場(chǎng)故障排除的基礎(chǔ)設(shè)備清單：
頻譜儀/EMI接收機(jī)： 測(cè)量相對(duì)于頻率的RF功率。頻譜儀的輸入頻率應(yīng)該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。

圖3 鼎陽的輸出頻率為2.1GHz的頻譜儀SSA3021X

近場(chǎng)探頭：購(gòu)買或者手工自制。分為磁場(chǎng)近場(chǎng)探頭和電場(chǎng)近場(chǎng)探頭。
電流探頭：購(gòu)買或自制。
50歐姆同軸線纜：使用與近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀RF輸入口相匹配的線纜。如果需要的話，探頭，同軸線纜，連接器可以同時(shí)配套購(gòu)買。
探頭：因?yàn)槿祟惖娜庋蹮o法直接看到電磁波，所以我們需要借助一些工具輔助測(cè)量。回想一下我們剛剛提到的，導(dǎo)體中的移動(dòng)電荷產(chǎn)生輻射到整個(gè)空間的電磁場(chǎng)。我們可以通過測(cè)量電磁場(chǎng)功率值來衡量電路中的感應(yīng)電壓，從而間接地測(cè)量出源電場(chǎng)的強(qiáng)度。在EMI故障排除的過程中，常用到的兩種探頭是近場(chǎng)探頭和電流鉗。
近場(chǎng)探頭和電流鉗具有類似的原理。 流過探針的“環(huán)路”區(qū)域的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電壓（圖4）。環(huán)形區(qū)域越大，磁通量就越大，因此更適合尋找一些小信號(hào)。但是小的環(huán)形區(qū)域提供更好的空間分辨率（從而可以更地找到問題點(diǎn)）。許多測(cè)試工具中的探頭都有多種環(huán)尺寸（見圖5），從而幫助用戶更好地實(shí)現(xiàn)靈敏度和空間分辨率之間的平衡。
 
電場(chǎng)探頭通常不會(huì)有一個(gè)環(huán)形的區(qū)域。用他們獲得電場(chǎng)信息的方法更像是單極天線。與磁場(chǎng)探頭一樣，電場(chǎng)探針旋轉(zhuǎn)與否不影響測(cè)量結(jié)果，但與信號(hào)源的距離是非常重要的影響因素。
 
以下是探頭的使用指南：
關(guān)閉被測(cè)設(shè)備，觀察頻譜儀的測(cè)量值，測(cè)出本底輻射。注意，任何可能由環(huán)境或者本底輻射引起的的射頻干擾都要關(guān)注。如果在屏蔽良好的實(shí)驗(yàn)室中，這個(gè)問題可能不是很大，但在普通的實(shí)驗(yàn)室中，一定要提前測(cè)得環(huán)境中存在的本底干擾。
探頭的擺放，通信端口終端，以及機(jī)器外殼的接縫、通風(fēng)口等，這些都是在測(cè)試中容易出現(xiàn)問題的地方。
電場(chǎng)或磁場(chǎng)的探頭離信號(hào)源近一點(diǎn)會(huì)測(cè)得幅值。
磁場(chǎng)探頭放置的方向垂直于磁場(chǎng)會(huì)比平行于磁場(chǎng)測(cè)得更高的數(shù)據(jù)。
因?yàn)樵谥貜?fù)的實(shí)驗(yàn)中探頭的位置是比較重要的，因此把一個(gè)不導(dǎo)電的夾具（如木頭，塑料）固定在被測(cè)設(shè)備上，那么探頭就可以使用了。記住，探頭的位置和放置方向是十分重要的，一點(diǎn)點(diǎn)的位置偏差或者一點(diǎn)點(diǎn)的角度偏差都會(huì)在對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)引起很大的誤差。

圖4 磁場(chǎng)探頭的擺放和角度影響被測(cè)設(shè)備測(cè)得幅值

圖5 一組具備不同空間分辨率的近場(chǎng)探頭

圖6 使用近場(chǎng)探頭對(duì)PCB板進(jìn)行輻射測(cè)量

電子設(shè)備中的線纜和連接器都需要被屏蔽并且接地正確，因?yàn)樗鼈兪呛芎玫奶炀€，導(dǎo)體外部的微小的電流變化就很容易造成探測(cè)到的輻射量超過電磁兼容測(cè)試設(shè)定的限值。電流鉗和頻譜儀配合使用可以了解到線纜和連接器產(chǎn)生電磁輻射的原因。
電流鉗和近場(chǎng)探頭的原理類似我們可以直接從商家購(gòu)買或把線圈纏在鐵夾和BNC連接器上自己制作（如圖7所示）。把電流鉗靠近待測(cè)的線纜，同時(shí)把它連接到頻譜儀的輸入端口，把頻譜儀的頻率調(diào)到設(shè)定的范圍。

圖7 一個(gè)手工制作的電流鉗

以下是探頭的一些使用指南：
如果不能確定輸入信號(hào)的大小，可以在測(cè)量之前給頻譜儀的RF輸入端加一個(gè)外置的衰減器。電源線或者其它高功率的應(yīng)用可能會(huì)影響頻譜儀RF輸入端口的靈敏度。
測(cè)量所有可能和被測(cè)設(shè)備連接的線纜。包括電源線，USB線，網(wǎng)線等。（如圖8）

圖8 測(cè)量一個(gè)連接到示波器的USB線的射頻干擾

電流鉗，尤其是手工自制的，對(duì)環(huán)境中的RF信號(hào)特別敏感，這可能使得你測(cè)到的信號(hào)是不準(zhǔn)確或者是錯(cuò)誤的。先連接所有的電纜，探頭等，然后通過關(guān)閉被測(cè)設(shè)備來測(cè)得環(huán)境中的RF信號(hào)，然后把這個(gè)本底數(shù)據(jù)和打開被測(cè)設(shè)備時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)相比較，從而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這對(duì)于循環(huán)多次測(cè)試不斷變化的環(huán)境中的被測(cè)設(shè)備的RF信號(hào)來說也是一個(gè)好辦法。

圖9 由電流鉗測(cè)得的環(huán)境中的RF信號(hào)軌跡（黃色）；以及打開DUT時(shí)

的信號(hào)軌跡（紫色）
如果你的RF測(cè)量實(shí)驗(yàn)失敗了，那么從出現(xiàn)錯(cuò)誤的頻率以及產(chǎn)生這些頻率的基波開始著手尋找問題。

4、檢查和評(píng)價(jià)

在使用探頭檢測(cè)到的信號(hào)干擾可能并不是真實(shí)的干擾數(shù)據(jù)，但是通過觀察分析測(cè)量結(jié)果，對(duì)比被測(cè)設(shè)備的前后狀態(tài)等方法，用戶可以更快的進(jìn)行故障排除。
以下是一些可參的實(shí)驗(yàn)技巧，可以幫助我們觀察更多實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)：
大多數(shù)的頻譜儀不具有預(yù)選器。如果你是用一個(gè)不配備預(yù)選器的頻譜儀，你觀察到的峰值可能不是真實(shí)的。由于帶外信號(hào)和待測(cè)信號(hào)混合在一起，沒有預(yù)選器的頻譜儀很可能會(huì)觀測(cè)到一個(gè)假峰。
你需要通過外加一個(gè)衰減器（可以3dB或者10dB）測(cè)試一下這個(gè)峰值的有效性，真實(shí)的峰值會(huì)隨著衰減量下降。如果峰值下降的量大于外加衰減的量，那么這個(gè)峰值很可能是一個(gè)假峰。把這個(gè)假峰標(biāo)注出來和兼容測(cè)試中得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。你也可以使用預(yù)選器或者EMI接收器，但是這些配件對(duì)于大多數(shù)快速測(cè)試來說是成本高昂的。
圖10 是一個(gè)典型的峰值測(cè)試實(shí)驗(yàn)，黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的，這種情況下，峰值下降的量和所添加的衰減量是一致的。這有助于確認(rèn)該峰值是真峰而不是帶外信號(hào)的產(chǎn)物。

圖10 使用頻譜儀的標(biāo)記功能對(duì)兩次掃描結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的

 
一些具有軌跡類型保持功能的頻譜儀將會(huì)連續(xù)的保存每次頻率掃描的值，你可以把一個(gè)單軌作為“清除寫入”（你可以打開一條跡線為“清除寫入”狀態(tài)），來表現(xiàn)射頻信號(hào)，然后把另一條設(shè)置為保持。這使得你可以比較被測(cè)設(shè)備在壞的情況下的收集的數(shù)據(jù)的變化，并且使用保持功能“固定”它們。
可以使用標(biāo)記和峰值表功能去清楚的找出峰值頻率和幅值。

圖11 打開標(biāo)記功能和峰值表功能的頻譜儀SSA3000X的界面

5、結(jié)論

1.磁場(chǎng)由流動(dòng)的電流產(chǎn)生。使用磁場(chǎng)近場(chǎng)探頭靠近導(dǎo)線或回路去甄別電磁輻射。
2.電場(chǎng)由流動(dòng)的電流或者靜電荷產(chǎn)生。使用電場(chǎng)近場(chǎng)探頭在金屬平面（例如散熱器，機(jī)箱，顯示屏的邊界或者是機(jī)殼的縫隙等）去甄別電磁輻射。
3.使用電流鉗去甄別潛在的輻射和從線纜和連接器泄漏的諧振。
4.顯示屏，機(jī)殼的縫隙，帶狀線纜和通信端口及總線是可能導(dǎo)致輻射泄漏的地方。
5.用導(dǎo)電帶或鋁箔包裹住可能產(chǎn)生電磁泄漏的部分，并確認(rèn)包裹是接地的，再次掃描被包住的地方的EMI干擾是否減輕了。
6.連接不良的電纜和連接器也會(huì)導(dǎo)致輻射問題。
7.通過給被測(cè)器件斷電并觀察頻譜儀上的輸出，可以多次測(cè)量環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在測(cè)量中要標(biāo)注出任何的變化以及它們所帶來的潛在的影響。
通過一些簡(jiǎn)單的設(shè)備，你可以在室內(nèi)進(jìn)行預(yù)兼容測(cè)試， 這會(huì)大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，以及減少下一代產(chǎn)品研發(fā)過程中的反復(fù)測(cè)量次數(shù)。