EMI-feilsøking, trinnvis

I denne artikkelen vil vi beskrive trinnene vi vanligvis tar for å feilsøke de fire fire EMI-problemene, utførte utslipp, utstrålede utslipp, utstrålet immunitet og elektrostatisk utladning.

I denne artikkelen vil vi beskrive trinnene vi vanligvis tar for å feilsøke de fire fire EMI-problemene, utførte utslipp, utstrålede utslipp, utstrålet immunitet og elektrostatisk utladning. Av disse er de tre siste de mest utbredte problemene, med utstrålede utslipp som typisk den første feilen. Hvis ditt produkt eller system (EUT) har tilstrekkelig strøm- og I / O-portfiltrering, utførte utslipp og andre strømlinje-relaterte immunitetstester, er det ikke vanligvis et problem.

For enkelhets skyld har vi utviklet en liste over anbefalt utstyr som er nyttig for feilsøking av EMI. Nedlastingskoblingen er oppført i Referanse 1.


Utledte utslipp

Dette er vanligvis ikke et problem gitt tilstrekkelig strømlinjefiltrering, men mange lave strømforsyninger mangler god filtrering. Noen "ingen navn" -merker har ingen filtrering i det hele tatt! Den utførte utslippstesten er lett å kjøre, så her går du.


Sett opp spektrumanalysatoren din som følger:
  1. 1. Frekvens 150 kHz til 30 MHz
  2. 2. Oppløsning båndbredde = 10 eller 9 kHz
  3. 3. Preamp = Av
  4. 4. Juster referansenivået slik at de høyeste harmoniene vises, og den vertikale skalaen leser i jevn 10 dB inkrementer
  5. 5. Bruk gjennomsnittsdeteksjon i utgangspunktet og CISPR-deteksjon på noen topper senere
  6. 6. Intern demping - start med 20 til 30 dB først og juster for best visning og ingen overlast på analysatoren.
  7. 7. Sett de vertikale enhetene til dBμV
Vi liker også å sette den horisontale skalaen fra lineær til logg, så frekvenser er enklere å lese ut.

Hent et lineimpedansstabiliseringsnettverk (LISN) og plasser det mellom produktet eller systemet under test og spektrumanalysatoren. Legg merke til sekvensen av tilkoblingen nedenfor!

FORSIKTIG : Det er ofte viktig å slå opp EUT før du kobler LISN til analysatoren. Dette skyldes at store transienter kan oppstå ved oppstart og potensielt kan ødelegge analysatorens følsomme inngangsstadium. Merk at TekBox LISN har innebygd forbigående beskyttelse. Ikke alle gjør ... du har blitt advart! 4.

Koble opp EUT og koble deretter 50 ohm-utgangsporten til LISN til analysatoren. Vær oppmerksom på at harmoniene vanligvis er svært høye ved de lavere frekvensene og avtar mot 30 MHz. Pass på at disse høyere harmoniene ikke overdriver analysatoren. Legg til ekstra intern demping, hvis nødvendig.

Ved å sammenligne de gjennomsnittlige oppdagede toppene med de riktige CISPR-grensene, kan du fortelle om EUT passerer eller feiler før formelt samsvarstesting.


Omgivende sendere

Et problem du umiddelbart vil løpe inn er at når du tester utenfor et skjermet rom eller semi-anechoic-kammer, er antall omgivende signaler fra kilder som FM- og TV-sendersender, mobiltelefon og toveisradio. Dette er spesielt et problem når du bruker nåværende sonder eller eksterne antenner. Jeg vil vanligvis kjøre en grunnlinje på analysatoren ved hjelp av "Max Hold" -modus for å bygge opp en komposittomgivelse. Deretter aktiverer jeg flere spor for de faktiske målingene. For eksempel har jeg ofte tre tomter eller spor på skjermen; den omgivende baseline, "før" -plottet og "etter" -plottet med noen fikseringspåføring.

Ofte er det lettere å begrense frekvensspenningen på spektrumanalysatoren ned til null inn på en bestemt harmonisk, og dermed eliminere de fleste omgivende signaler. Hvis harmonikken er smalbånds kontinuerlig bølge (CW), kan redusering av oppløsning båndbredde (RBW) også bidra til å skille EUT-harmonikken fra nærliggende omgivelser. Bare vær sikker på å redusere RBW reduserer ikke også den harmoniske amplitude.

En annen advarsel er at sterke nærliggende sendere kan påvirke amplitudenøyaktigheten til de målte signalene, samt lage blandingsprodukter som synes å være harmoniske, men er egentlig kombinasjoner av senderfrekvens og mikserkrets i analysatoren. Du må kanskje bruke et eksternt båndpassfilter ved ønsket harmonisk frekvens for å redusere påvirkning av den eksterne senderen. Selv om det er dyrere, ville en EMI-mottaker med innstilt forhåndsvalg være mer nyttig enn en normal spektrumanalysator i høye RF-miljøer. Keysight Technologies og Rohde & Schwarz ville være leverandører å vurdere. Alle disse teknikkene er beskrevet mer detaljert i referanse 3.

Radierte utslipp

Dette er normalt den høyeste risikotesten. Sett opp spektrumanalysatoren din som følger:

  1. 1. Frekvens 10 til 500 MHz
  2. 2. Oppløsning båndbredde = 100 eller 120 kHz
  3. 3. Preamp = På (eller bruk en ekstern 20 dB foramp hvis analysatoren mangler dette)
  4. 4. Juster referansenivået slik at de høyeste harmoniene vises, og den vertikale skalaen leser i jevn 10 dB inkrementer
  5. 5. Bruk positiv topp deteksjon
  6. 6. Sett innvendig demping = null

Noen ganger foretrekker jeg å sette de vertikale enhetene fra standard dBm til dBμV, så de viste tallene er positive. Dette er også den samme enheten som brukes i testgrensene til standardene. Jeg liker også å sette den horisontale skalaen fra lineær til logg, så frekvenser er enklere å lese ut.

Jeg utfører min første skanning opp til 500 MHz, fordi dette vanligvis er det verste fallet for digitale harmoniske. Du vil også registrere utslippene minst 1 GHz (eller høyere) for å karakterisere andre dominerende utslipp. Generelt vil løsningen av lavere frekvensovertoner også redusere høyere harmoniske.


Nær feltforsøk

De fleste nær-felt-probesettene kommer med både E-felt og H-feltprober. Å bestemme om H-felt eller E-feltprober avhenger av om du vil undersøke strømmer - det vil si høy di / dt - (kretsspor, kabler, etc.) eller høy spenning - at EMI er dV / dt - ( bytte strømforsyninger, etc.). Begge er nyttige for å finne lekkede sømmer eller hull i skjermede innkapslinger.

Start med den større H-feltproben (figur 1) og snus rundt produktkapslingen, kretskortet (ene) og de vedlagte kablene. Målet er å identifisere store støykilder og bestemte smalbånds- og bredbåndsfrekvenser. Dokumentere plasseringene og dominerende frekvensene observert. Når du er null i kilder, kan du kanskje bytte til H-feltprober med mindre diameter, noe som vil gi større oppløsning (men mindre følsomhet).

Figur 1
Figur 1. En nærfelt probe brukes til å identifisere potensielle kilder til utslipp.
figur 2
Figur 2. H-feltprober gir den beste følsomheten når den er orientert i forhold til kretsspor eller kabel, som vist. Figur, høflighet Patrick André.

Husk at ikke alle kilder til høyfrekvent energi som er plassert på brettet, vil faktisk utstråle! Stråling krever en form for kobling til en "antennelignende" struktur, for eksempel et I / O-kabel, strømkabel eller søm i det skjermede kabinettet.

Sammenlign harmoniske frekvenser med kjente klokkeoscillatorer eller andre høyfrekvente kilder. Det vil bidra til å bruke Clock Oscillator Calculator, utviklet av medforfatteren, Patrick André. Se nedlastingslinken i Referanse 2.

Når du bruker potensielle rettelser på brettnivå, må du sørge for å tape ned nærfelt proben for å redusere variasjonen du vil oppleve i sonde spissens fysiske plassering. Husk at vi hovedsakelig er interessert i relative endringer når vi bruker rettelser.

Også, H-feltprober er mest sensitive (vil koble den mest magnetiske fluxen) når deres plan er orientert parallelt med sporet eller kabelen. Det er også best å plassere sonden 90 grader til PC-bordets plan. Se figur 2.

Nåværende sonde Følg deretter de vedlagte fellesmoduskabelstrømmene (inkludert strømkabler) med en høyfrekvent strømkilde, for eksempel Fischer Custom Communications-modellen F-33-1 eller tilsvarende (Figur 3). Dokumentere plasseringene til de øverste flere harmonikene og sammenligne med listen bestemt av nær feltundersøkelse. Disse vil mest sannsynlig utstråle og forårsake testfeil, fordi de flyter på antennelignende strukturer (kabler). Bruk produsentens medfølgende kalibreringskart over overføringsimpedans til å beregne den aktuelle strømmen ved en bestemt frekvens. Merk at det bare tar 5 til 8 μA høyfrekvent strøm for å mislykkes FCC- eller CISPR-testgrensene.

figur 3
Figur 3. Bruk av en gjeldende sonde for å måle høyfrekventstrømmer som strømmer på I / O og strømkabler.

Det er en god ide å skyve gjeldende sonde frem og tilbake for å maksimere harmonikken. Dette skyldes at enkelte frekvenser vil resonere på forskjellige steder, på grunn av stående bølger på kabelen.

Det er også mulig å forutsi det utstrålede E-feltet (V / m) gitt strømmen som strømmer i en ledning eller kabel, med antagelsen at lengden er elektrisk kort ved hyppighetsfrekvensen. Dette har vist seg å være nøyaktig for 1m lange kabler på opptil 200 MHz. Se referanse 3 for detaljer.


Merk på bruk av eksterne antenner

Merk at det er to forskjellige mål når du bruker eksterne EMI-antenner;

  1. 1. Relativ feilsøking, hvor du kjenner områder med sviktende frekvenser og trenger å redusere deres amplituder. En kalibrert antenne er ikke nødvendig, da bare relative endringer er viktige. Det viktige jeg at harmonisk innhold fra EUT bør være lett synlig.
  2. 2. Forundersøkelsestest, hvor du ønsker å duplisere testoppsettet som brukes av compliance test lab. Det vil si å sette opp en kalibrert antenne på 3m eller 10m unna produktet eller systemet som testes, og avgjøre på forhånd om du passerer eller feiler.

Pre-Compliance Testing for Radiated Emissions

Hvis du ønsker å sette opp en pre-compliance-test, (# 2 ovenfor), og deretter gi en kalibrert EMI-antenne på 3m eller 10m avstand fra EUT, kan du beregne E-feltet (dBμV / m) ved å ta opp dBμV-lesing av spektrumanalysatoren og factoring i koaksialt tap, ekstern forsterkningsøkning (hvis brukt), eventuell ekstern demper (hvis brukt) og antennefaktor (fra antennekalibrering levert av produsenten). Denne beregningen kan da sammenlignes direkte med de 3m eller 10m utstrålede utslippstestgrensene ved hjelp av formelen:

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

I denne artikkelen vil jeg først og fremst fokusere på prosedyren for feilsøking ved hjelp av en tett antenne (# 1 ovenfor) for generell karakterisering av harmoniske nivåer som faktisk utstråles og testing av potensielle løsninger. For eksempel kan du vite at du kan være over grensen med 3 dB ved en eller annen harmonisk frekvens. Målet ditt bør være å redusere utslippene med 6 til 10 dB for tilstrekkelig margin.

Figur 1
Figur 4. En typisk testoppsett for å måle faktiske utstrålede utslipp mens feilsøking av årsakene.


Feilsøking med en tett antenne

Når produktets harmoniske profil er fullt karakterisert, er det på tide å se hvilke harmonier som faktisk utstråler. For å gjøre dette bruker vi en antenne på minst 1 meter fra produktet eller systemet som testes for å måle de faktiske utslippene (figur 4). Vanligvis vil det være lekkasje fra vedlagte I / O- eller kraftkabler, samt lekkasje i skjermet kabinett. Sammenlign disse dataene med nærområdets og gjeldende sondes. Kan du nå bestemme den sannsynlige kilden til utslippene som er nevnt?

Prøv å avgjøre om kabelstråling er det dominerende problemet ved å fjerne kablene en etter en. Du kan også prøve å installere en ferritkvel på en eller flere kabler som en test. Bruk nærfeltprober for å avgjøre om lekkasje også forekommer fra sømmer eller åpninger i skjermet kabinett.

Når utslippskildene er identifisert, kan du bruke kunnskapen om filtrering, jording og skjerming for å redusere problemutslippene. Prøv å bestemme koblingsbanen fra innsiden av produktet til eventuelle utvendige kabler. I enkelte tilfeller må kretskortet bli redesignet ved å optimalisere lagstapelen eller ved å eliminere høyhastighetsspor som krysser hull i returfly, etc. Ved å observere resultatene i sanntid med en antenne som ligger litt avstand unna, reduseres reduksjonen Fasen skal gå raskt.



Vanlige problemer

Det finnes en rekke produktdesignområder som kan forårsake utstrålede utslipp:

  1. 1. Dårlig kabelskjermavslutning er det største problemet
  2. 2. Lekkert produktbeskyttelse
  3. 3. Innvendige kabler kobling til sømmer eller I / O-områder
  4. 4. Høyhastighetsspor krysser hull i returplanet
  5. 5. Suboptimal lagstapling
Se referansene for ytterligere detaljer om problemstillinger for system og PC-kort, som kan forårsake utslippssvikt.

Radiert immunitet

De fleste utstrålede immunitetstester utføres fra 80 til 1000 MHz (eller i noen tilfeller så høyt som 2,7 GHz). Vanlige testnivåer er 3 eller 10 V / m. Militære produkter kan gå så høyt som 50 til 200 V / m, avhengig av driftsmiljøet. Handelsstandarden for de fleste produkter er IEC 61000-4-3, hvis testoppsett er ganske involvert. Men ved hjelp av noen enkle teknikker kan du raskt identifisere og løse de fleste problemer.

Håndholdt radio For utstrålet immunitet starter vi vanligvis utenfor EUT og bruker lisensfrie håndholdte sendere, for eksempel FRS-walkie-talkies (eller tilsvarende) for å fastslå områder med svakhet. Ved å holde disse lavmaktradioene i nærheten av produktet eller systemet under test, kan du ofte tvinge en feil (figur 5).

Hold senkknappen nede og kjør radioantenne hele EUT. Dette skal omfatte alle kabler, sømmer, skjermporte, etc.

figur 5
Figur 5. Bruke en lisensfri sender for å tvinge en feil.

RF Generator

Det er svært vanlig at bare visse frekvensbånd er mottakelige og noen ganger er de faste frekvensen håndholdte radioer ikke effektive. I så fall bruker jeg en justerbar RF-generator med vedlagt stor størrelse H-feltprobe og sonde rundt ved kjente sviktfrekvenser. Det bidrar også til å sonde på interne kabler og PC-kort for å bestemme områder med følsomhet. For mindre produkter, som i Figur 6, prøv å bruke de mindre H-feltprober for best fysisk oppløsning.
figur 6
Figur 6. Bruke en RF-generator og H-felt-prob for å bestemme områder med følsomhet.

I stedet for de større RF-generatorer av laboratoriekvalitet, bruker jeg også en mindre USB-styrt RF-synthesizer, for eksempel Windfreak SynthNV (eller tilsvarende) med nærfeltproben. SynthNV kan produsere opptil +19 dBm RF-effekt fra 34 MHz til 4,4 GHz, så det fungerer bra. Dette passer også fint inn i EMI-feilsøkingssettet. Se figur 7. Du finner en liste over anbefalte generatorer i Referanse 1.

figur 7
Figur 7. Bruke en liten syntetisert RF-generator for å produsere intense RF-felter rundt sondespissen

Støt fra statisk elektrisitet

Elektrostatisk utladningstesting utføres best ved hjelp av en testoppsett som beskrevet i IEC 61000-4-2-standarden. Dette krever en testtabell og grunnplan med visse dimensjoner. EUT er plassert midt på testtabellen. Jeg foreslår vanligvis å bytte gulvfliser med 4 x 8 fotplater av kobber eller aluminium, som passer inn i mellomrommene på de eksisterende flisene (figur 8). Testing krever en ESD-simulator, som er tilgjengelig fra en rekke kilder. Se Referanse 1. Jeg bruker den eldre KeyTek MiniZap, som er relativt liten og kan justeres til +/- 15 kV. Det finnes flere andre egnede (og nyere) design.

figur 8
Figur 8. ESD-testoppsettet i henhold til IEC 6100-4-2. Bilde, høflighet Keith Armstrong.

ESD-testing er ganske komplisert så langt som å identifisere testpunktene, men i utgangspunktet er det to tester - luftutslipp og kontaktutladning. Bruk luftutladning for alle punkter hvor en operatør kan røre utsiden av EUT. Bruk kontaktutladning for alt eksponert metall der en operatør kunne røre og utslippe inn i. Test både positive og negative polariteter. De fleste kommersielle tester krever 4 kV kontaktutladning og 8 kV luftutladning.

Testoppsettet inneholder også horisontale og vertikale koblingsplaner. Bruk kontaktutløpsspissen i koblingsplanene. Disse flyene trenger en høyimpedansutladningsbane til jorden. Se IEC-standarden for detaljer og nøyaktige testprosedyrer.


figur 9
Figur 9. En typisk ESD-simulator med luft- og kontaktutladningstips. Det kan produsere opptil +/- 15 kV.

Sammendrag

Ved å utvikle din egen EMI-feilsøkings-og laboratoriekompetanse, vil du spare tid og penger ved å flytte feilsøkingsprosessen internt, i stedet for planleggingstid og tilhørende kostnads- og planleggingsforsinkelser, avhengig av kommersielle testlabber.

De fleste av EMI-testene med høy risiko utføres lett med billig utstyr. Kostnadsbesparelsene ved å utføre feilsøking på ditt eget anlegg kan montere opp til hundretusenvis av dollar og uker eller måneder med produktforsinkelser.


referanser

Anbefalt liste over EMI-feilsøkingsutstyr - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 1. Clock Oscillator Kalkulator (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2. André og Wyatt, EMI Feilsøking 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 Feilsøkingsteknikker, McGraw-Hill, 2000
  6. 6. Montrose, EMC Made Simple, Montrose Compliance Services, 2014
  7. 7. Morrison, jording og skjerming - kretser og forstyrrelser, Wiley, 2016
  8. 8. Williams, EMC For Product Designers, Newnes, 2017


Vil du gjerne ...