在世界各地，幾乎所有的政府都試圖控制來自其國家生產(chǎn)的電子產(chǎn)品的有害電磁干擾（EMI）（見圖1）。非常具體的規(guī)則和法規(guī)涵蓋了電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以便為用戶提供一定程度的保護(hù)和安全。

當(dāng)然，這是一件好事。但這確實(shí)意味著公司必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試上花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，以最大限度地減少其EMI特征并通過官方EMI認(rèn)證測(cè)試。壞消息是，即使在采用良好的設(shè)計(jì)原則，選擇高質(zhì)量的組件并仔細(xì)表征產(chǎn)品之后，當(dāng)需要進(jìn)行一致性測(cè)試時(shí)，如果測(cè)試在所有階段都不順利，EMI故障仍然會(huì)給發(fā)布計(jì)劃帶來重大的麻煩。

通常，公司試圖通過在設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)階段執(zhí)行“預(yù)合規(guī)”測(cè)量來保護(hù)自己免受這種情況的影響。在將產(chǎn)品送出進(jìn)行一致性測(cè)試之前，最好識(shí)別和修復(fù)潛在的EMI問題。

當(dāng)然，大多數(shù)公司的實(shí)驗(yàn)室不包含進(jìn)行絕對(duì)EMI測(cè)量所需的測(cè)試室條件。好消息是，在不重復(fù)測(cè)試室條件的情況下識(shí)別和解決EMI問題是完全可行的。本文討論了一些技術(shù)，您可以使用這些技術(shù)來降低產(chǎn)品在測(cè)試機(jī)構(gòu)未通過最終的 EMC 一致性評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)。它還包括一個(gè)確定信號(hào)特性和重合的示例，以便對(duì)EMI發(fā)射源進(jìn)行歸零。

圖 1：構(gòu)成信號(hào)的電壓和電流的變化會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

了解 EMI 報(bào)告
在深入研究故障排除技術(shù)之前，了解一下 EMI 測(cè)試報(bào)告會(huì)很有用。乍一看，EMI報(bào)告似乎提供了有關(guān)特定頻率故障的直接信息。使用報(bào)告數(shù)據(jù)來識(shí)別設(shè)計(jì)的哪個(gè)組件包含有問題的源頻率并應(yīng)用一些衰減以在下次通過時(shí)通過測(cè)試，這看起來可能很簡單。然而，雖然許多測(cè)試條件在報(bào)告中都明確了，但一些需要考慮的重要事情可能并不那么明顯。在篩選設(shè)計(jì)以嘗試確定問題的根源之前，它可以幫助了解測(cè)試公司如何生成報(bào)告。

考慮圖2中的EMI測(cè)試報(bào)告，其中顯示了90 MHz左右的故障。

圖 2：此 EMI 測(cè)試報(bào)告顯示 90 MHz 左右時(shí)出現(xiàn)故障。

相應(yīng)的表格數(shù)據(jù)報(bào)告（如圖3所示）詳細(xì)說明了測(cè)試頻率、測(cè)量幅度、校準(zhǔn)校正因子和調(diào)整的場(chǎng)強(qiáng)的值。調(diào)整后的場(chǎng)強(qiáng)在下一列中與規(guī)格進(jìn)行比較，以確定最右邊一列中顯示的邊距或過量。

在顯示的邊距列中，您可以看到有一個(gè)峰值高于此特定標(biāo)準(zhǔn)的限值，為88.7291 MHz，與規(guī)格的邊距差為-2.3。

圖 3：此表格數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于圖 2。它顯示88.7291 MHz的故障，但有一些因素使它懷疑這是確切的頻率。

你完成了，對(duì)吧？沒那么快。不要讓所有這些數(shù)字引導(dǎo)你相信這是EMI來源的問題的精確頻率。事實(shí)上，測(cè)試報(bào)告中給出的頻率不太可能恰好是源的頻率。根據(jù)特別國際無線電干擾委員會(huì)（CISPR）的說法，在進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，必須根據(jù)頻率范圍使用不同的測(cè)試方法。每個(gè)范圍都需要特定的分辨率帶寬濾波器和檢測(cè)器類型，如表1所示。濾波器帶寬決定了解析確切的興趣頻率的能力;這意味著頻率范圍在它們對(duì)違規(guī)源的磨練程度上有所不同。

表 1 ： CISPR 測(cè)試要求隨頻率范圍和沖擊頻率分辨率而變化。

這里需要注意的是，對(duì)于某些頻率范圍，CISPR測(cè)試要求要求使用檢測(cè)器類型-準(zhǔn)峰值（QP），這可能會(huì)掩蓋實(shí)際頻率。通常，EMI部門或外部實(shí)驗(yàn)室通過使用簡單的峰值探測(cè)器來查找問題區(qū)域來執(zhí)行ascan來開始測(cè)試。但對(duì)于發(fā)現(xiàn)的超過或接近指定限值的信號(hào)，它們也可以執(zhí)行QP測(cè)量。QP是EMI測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)定義的一種方法，用于檢測(cè)信號(hào)包絡(luò)的加權(quán)峰值。它根據(jù)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和重復(fù)速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，以便更多地強(qiáng)調(diào)從廣播角度來看可能被解釋為“煩人”的信號(hào)。更頻繁地出現(xiàn)的信號(hào)將導(dǎo)致比不頻繁的脈沖更高的QP測(cè)量。換句話說，當(dāng)問題信號(hào)更頻繁地發(fā)生時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)的絕對(duì)幅度可能會(huì)被QP測(cè)量所掩蓋。

這里的好消息是，峰值和準(zhǔn)峰值掃描對(duì)于預(yù)一致性測(cè)試仍然有用。峰和QP檢測(cè)的示例如圖4所示。在這里，在峰值和QP檢測(cè)中都可以看到具有8 μs脈沖寬度和10 ms重復(fù)速率的信號(hào)。得到的 QP 值比峰值低 10.1 dB。

圖 4：峰值檢測(cè)和準(zhǔn)峰值檢測(cè)的比較。

要記住的一個(gè)好規(guī)則是，QP值將始終小于等于峰值檢測(cè)值，永遠(yuǎn)不會(huì)大于峰值檢測(cè)值。因此，您可以使用峰值檢測(cè)來執(zhí)行 EMI 故障排除和診斷。您不需要精確到與EMI部門或?qū)嶒?yàn)室掃描相同的程度，因?yàn)闇y(cè)量都是相對(duì)的。如果 labre 報(bào)告中的 QP 值顯示設(shè)計(jì)超過 3 dB，而峰值檢測(cè)值為 6 dB 以上，那么您就知道需要實(shí)施將信號(hào)降低 3 dB 或更高的修復(fù)。

測(cè)試機(jī)構(gòu)通常會(huì)對(duì)EMI報(bào)告進(jìn)行掃描，這些條件是公司實(shí)驗(yàn)室可能無法復(fù)制的特殊條件。例如，被測(cè)設(shè)備（DUT）可以放置在轉(zhuǎn)盤上，可以從多個(gè)角度收集信息。這種方位角信息非常有用，因?yàn)樗鼘⒅甘締栴}發(fā)出的DUT區(qū)域。或者，EMI測(cè)試室可能會(huì)在經(jīng)過校準(zhǔn)的RF室中進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果報(bào)告為場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量。

幸運(yùn)的是，您不需要重復(fù)測(cè)試室條件來排除EMI測(cè)試故障。與其使用在高度受控的EMI測(cè)試設(shè)施中執(zhí)行的絕對(duì)測(cè)量，不如使用測(cè)試報(bào)告中的信息進(jìn)行故障排除，充分了解用于生成報(bào)告的測(cè)量技術(shù)，以及圍繞DUT隔離源的相對(duì)觀察并衡量補(bǔ)救措施的有效性。

尋找 EMI 輻射 – 從哪里開始？
現(xiàn)在是時(shí)候繼續(xù)關(guān)注不需要的EMI源了。當(dāng)我們從EMI的角度來看任何產(chǎn)品時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)可以被認(rèn)為是能量源和天線的集合。EMI問題的常見（但絕不是唯一）來源包括：

• 電源濾波器
• 接地阻抗
• 信號(hào)返回不足
• 液晶屏發(fā)射
• 組件寄生效應(yīng)
• 電纜屏蔽不良
• 開關(guān)電源（直流/直流轉(zhuǎn)換器）
• 內(nèi)部耦合問題
• 金屬化外殼中的靜電放電
• 不連續(xù)的返回路徑

要確定特定電路板上的能量來源以及特定EMI問題的核心能量來源，您需要檢查觀察到的信號(hào)的周期性。信號(hào)的射頻頻率是多少？它是脈沖式還是連續(xù)式？可以使用基本頻譜分析儀監(jiān)控這些信號(hào)特性

你還需要看看巧合。與EMI事件一起在凹凸節(jié)上發(fā)出什么信號(hào)？通常的做法是使用檢波器來探測(cè) DUT 上的電信號(hào)。檢查電氣事件引起的EMI問題可以說是EMI故障排除中最耗時(shí)的過程。過去，很難以同步方式關(guān)聯(lián)來自頻譜分析儀和螺旋儀的信息。

然而，混合域示波器（MDO）的引入通過提供同步的時(shí)間相關(guān)視圖和測(cè)量改變了這一點(diǎn)。該儀器如圖5所示，簡化了EM故障發(fā)射過程，使其相對(duì)容易地看到哪些信號(hào)與哪個(gè)EMI事件有關(guān)。

圖 5：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個(gè)單元中，可從所有三個(gè)儀器中產(chǎn)生同步的時(shí)間相關(guān)測(cè)量。此處顯示的是泰克 MDO4000B。

MDO將混合信號(hào)示波器的功能與長程分析儀相結(jié)合。通過這種組合，您可以自動(dòng)顯示和觸發(fā)模擬信號(hào)特性、數(shù)字定時(shí)、總線事務(wù)以及RF。一些MDO還具有獲取或查看頻譜和時(shí)域跡線的能力，包括RF幅度與時(shí)間的關(guān)系，RF相位與時(shí)間的關(guān)系以及RF頻率與時(shí)間的關(guān)系。時(shí)間。RF幅度與時(shí)間走線如圖6所示。

圖 6：這顯示了 MDO 的時(shí)間相關(guān)視圖，其中包含 RF 幅度與時(shí)間跡線的關(guān)系。

使用近場(chǎng)探測(cè)進(jìn)行相對(duì)測(cè)量
雖然合規(guī)性測(cè)試程序旨在產(chǎn)生絕對(duì)的校準(zhǔn)測(cè)量，但可以使用來自DUT的電磁場(chǎng)的相對(duì)測(cè)量來對(duì)大部分進(jìn)行故障排除。特別是，您可以使用MDO的光譜分析儀功能和RF通道，通過探測(cè)近場(chǎng)中波阻抗的行為來歸零能量源。在執(zhí)行此操作的同時(shí)，在示波器的一個(gè)模擬通道上使用無源探頭探測(cè)信號(hào)，以發(fā)現(xiàn)與RF相關(guān)的信號(hào)。

不過，首先，它有助于了解將要探測(cè)的電磁場(chǎng)區(qū)域的一些背景。圖7顯示了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中波阻抗的行為，以及它們之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域。您可以看到，在近場(chǎng)區(qū)域中，磁場(chǎng)的范圍可以從主要磁性到主要電。在近場(chǎng)中，非輻射行為占主導(dǎo)地位，波阻取決于光源的性質(zhì)和距離。在遠(yuǎn)場(chǎng)中，阻抗是恒定的，測(cè)量不僅取決于在近場(chǎng)中可觀察到的活動(dòng)，還取決于天線增益和測(cè)試條件等其他因素。

圖 7：這顯示了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中波阻抗的行為，以及它們之間的過渡區(qū)。近場(chǎng)測(cè)量是用于EMI故障排除的測(cè)量。

近場(chǎng)測(cè)量是用于EMI故障排除的測(cè)量，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S您精確定位能量來源，而無需在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的特定條件。但是，一致性測(cè)試在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行，而不是在近場(chǎng)進(jìn)行。您通常不會(huì)使用遠(yuǎn)場(chǎng)，因?yàn)樗蛱嘧兞慷兊脧?fù)雜：遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度不僅取決于源的強(qiáng)度，還取決于輻射機(jī)制以及任何可能到位的屏蔽器濾波。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，請(qǐng)記住，如果您能夠在遠(yuǎn)場(chǎng)中觀察到信號(hào)，那么您應(yīng)該能夠在近場(chǎng)中看到相同的信號(hào)。（但是，有可能在近場(chǎng)中觀察到信號(hào)，而在遠(yuǎn)場(chǎng)看不到相同的信號(hào)。

近場(chǎng)探頭本質(zhì)上是設(shè)計(jì)為局部磁（H場(chǎng)）或電（E場(chǎng)）變化的天線。通常，近場(chǎng)探頭不附帶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因此它們用于進(jìn)行相對(duì)測(cè)量。如果您不熟悉用于測(cè)量H場(chǎng)和E場(chǎng)變化的探頭，它有助于了解近場(chǎng)探頭設(shè)計(jì)和最佳用途：

H場(chǎng)（磁）探頭具有獨(dú)特的環(huán)設(shè)計(jì)，如圖8所示。重要的是，H場(chǎng)探頭的方向是，環(huán)路的平面與被評(píng)估的導(dǎo)體一致，從而定位環(huán)路，使磁通量的磁場(chǎng)線通過它。

圖 8：將 H 場(chǎng)探頭與電流對(duì)齊，使磁場(chǎng)線穿過環(huán)路。

環(huán)路的大小決定了靈敏度和測(cè)量面積，因此在使用這些類型的探頭時(shí)必須小心以隔離能量源。近場(chǎng)探頭套件通常包括不同環(huán)路尺寸的弧形，因此您可以使用漸進(jìn)式旋轉(zhuǎn)器環(huán)路尺寸來縮小測(cè)量區(qū)域。

H場(chǎng)探頭對(duì)于識(shí)別具有相對(duì)較高電流的來源非常有用，例如：

• 低阻抗節(jié)點(diǎn)和電路
• 傳輸線
• 電源
• 端接電線和電纜

電場(chǎng)（電）探頭用作小單極天體，對(duì)電場(chǎng)或電壓變化做出響應(yīng)。使用這些類型的探頭時(shí)，保持探頭垂直于測(cè)量平面非常重要，如圖9所示。

圖 9：將 E 場(chǎng)探頭垂直于導(dǎo)體放置以觀察電場(chǎng)。

在實(shí)踐中，E-field探頭非常適合在非常小的區(qū)域上歸零，并識(shí)別電壓相對(duì)較高的源以及沒有終端的源，例如：

• 高阻抗節(jié)點(diǎn)和電路
• 未端接的印刷電路板走線
• 電纜

在低頻下，系統(tǒng)中的電路節(jié)點(diǎn)阻抗可能會(huì)有很大差異。需要了解電路或?qū)嶒?yàn)知識(shí)才能確定H場(chǎng)或E場(chǎng)探頭是否能提供最靈敏的靈敏度。在較高的頻率下，這些差異可能是戲劇性的。在所有情況下，進(jìn)行重復(fù)的相對(duì)測(cè)量都很重要，這樣您就可以確信所實(shí)施的任何變化的近場(chǎng)發(fā)射結(jié)果都能得到準(zhǔn)確表示。最重要的考慮因素是，對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)變化，近場(chǎng)探頭的位置和方向要保持一致。

追蹤EMI發(fā)射源
在此示例中，對(duì)小型微控制器的EMI掃描表明，似乎以144MHz為中心的寬帶信號(hào)存在超限故障。使用MDO的頻譜分析儀功能，第一步是將H場(chǎng)探頭連接到RF輸入，以使用相對(duì)近場(chǎng)測(cè)量來定位能量源。

如上所述，H場(chǎng)探頭的方向很重要，這樣環(huán)路的平面與被評(píng)估的導(dǎo)體一致。在PCB周圍移動(dòng)H場(chǎng)探頭，可以定位能量源。通過逐步選擇更窄的孔徑探頭，您可以將搜索集中在較小的區(qū)域。

一旦找到表觀能量源，RF幅度。時(shí)間跡線如圖10所示，繪制了跨度內(nèi)所有信號(hào)的集成功率對(duì)流時(shí)間。使用此跡線，可以清楚地看到顯示屏中的大脈沖。在記錄長度上移動(dòng)頻譜時(shí)間，很明顯EMI事件（即以140 MHz為中心的寬帶信號(hào)）直接對(duì)應(yīng)于大脈沖。為了穩(wěn)定測(cè)量，請(qǐng)打開RF功率觸發(fā)器，然后增加記錄長度以確定RF脈沖發(fā)生的頻率。要測(cè)量脈沖重復(fù)周期，請(qǐng)啟用測(cè)量標(biāo)記并直接確定周期。

圖 10：MDO 的 RF 幅度與時(shí)間走線的關(guān)系（上圖）顯示了 140 MHz 時(shí)的微弱脈沖。頻譜顯示（底部圖）顯示其頻率內(nèi)容。

積極識(shí)別EMI源的下一步是利用MDO的示波器部分。保持相同的設(shè)置，打開示波器的通道1，然后瀏覽PCB，尋找與EMI事件重合的信號(hào)源。

在用示波器探頭瀏覽信號(hào)一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)了圖11中的信號(hào)：在本例中為電源濾波器。在顯示屏上可以清楚地看到，連接到示波器通道1的信號(hào)與EMI事件直接相關(guān)。現(xiàn)在，可以制定EM修復(fù)計(jì)劃，并在嘗試認(rèn)證測(cè)試之前糾正問題。

圖 11：在示波器的一個(gè)模擬通道上使用無源探頭可發(fā)現(xiàn)與 RF 相關(guān)的信號(hào)。

結(jié)論
EMI 一致性測(cè)試失敗會(huì)使產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度面臨風(fēng)險(xiǎn)。但是，預(yù)一致性測(cè)試可以幫助您在達(dá)到該階段之前解決EMI問題。您無需在高度受控的EMI測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，而是可以使用EMI測(cè)試報(bào)告中的信息進(jìn)行相關(guān)的觀察，這些觀察結(jié)果可用于隔離源并衡量修復(fù)效果。

有效的EMI故障排除通常涉及近場(chǎng)探測(cè)以查找相對(duì)較高的電磁場(chǎng)，確定其特性，并使用混合域示波器將場(chǎng)活動(dòng)與電路活動(dòng)相關(guān)聯(lián)以確定EMI源。此處概述的故障排除技術(shù)可以有效地幫助您隔離有問題的能源，以便您可以在提交設(shè)計(jì)以進(jìn)行EMI認(rèn)證之前對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)救。