Odstraňování problémů EMI krok za krokem

V tomto článku budeme popisovat kroky, které obvykle provádíme při řešení nejčastějších čtyř problémů EMI, emisí, emisí vyzařovaných, vyzařované imunity a elektrostatického výboje.

V tomto článku budeme popisovat kroky, které obvykle provádíme při řešení nejčastějších čtyř problémů EMI, emisí, emisí vyzařovaných, vyzařované imunity a elektrostatického výboje. Z nich jsou poslední tři nejčastější problémy, přičemž vyzařované emise jsou typicky selhání číslo jedna. Pokud má váš produkt nebo systém (EUT) dostatečné napájení a filtrování portů vstupů / výstupů, emise a ostatní testy odolnosti proti elektrickému vedení obvykle nejsou problémem.

Pro vaše pohodlí jsme vyvinuli seznam doporučených zařízení vhodných pro řešení problémů EMI. Odkaz na stažení je uveden v referenci 1.


Vedená emise

Obvykle to není problém, jelikož je zajištěno přiměřené filtrování elektrické sítě, nicméně mnoho levných zdrojů energie nemá dobré filtrování. Některé značky "bez názvu" vůbec nemají filtrování! Vyzkoušený test emisí je snadný, takže tady jdete.


Nastavte analyzátor spektra následujícím způsobem:
  1. 1. Frekvence 150 kHz až 30 MHz
  2. 2. Rozlišení šířky pásma = 10 nebo 9 kHz
  3. 3. Předzesilovač = Vypnuto
  4. 4. Nastavte referenční úroveň tak, aby byly zobrazeny nejvyšší harmonické a vertikální měřítko čte v krocích po 10 dB
  5. 5. Nejprve použijte průměrnou detekci a detekci CISPR na jakýchkoli vrcholích později
  6. 6. Vnitřní útlum - začněte nejdříve 20 až 30 dB a nastavte nejvhodnější zobrazení a žádné přetížení analyzátoru.
  7. 7. Nastavte vertikální jednotky na dBμV
Rádi bychom také nastavili horizontální měřítko z lineárního na log, takže frekvence jsou snadněji čitelné.

Získejte Síťovou stabilizační síťovou impedanci (LISN) a umístěte ji mezi testovaný produkt nebo systém a spektrální analyzátor. Poznamenejte si následující spojení!

UPOZORNĚNÍ : Často je důležité spouštět EUT před připojením přístroje LISN k analyzátoru. Důvodem je, že při zapnutí mohou dojít k velkým přechodům a mohou potenciálně zničit citlivou vstupní úroveň analyzátoru. Všimněte si, že TekBox LISN má zabudovanou přechodovou ochranu. Ne všichni ... jste varováni!

Spusťte EUT a poté připojte výstupní port 50-Ohm LISN k analyzátoru. Všimněte si, že harmonické jsou obvykle velmi vysoké u nižších frekvencí a snižují se na 30 MHz. Ujistěte se, že tyto vyšší harmonické nedosahují analyzátoru. V případě potřeby přidejte další vnitřní útlum.

Porovnáním průměrných zjištěných špiček s příslušnými limity CISPR budete schopni zjistit, zda EUT předchází nebo neplní před formálním testováním shody.


Okolní vysílače

Jedním problémem, který okamžitě narazíte, je to, že při testování mimo stíněnou místnost nebo polokruhovou komoru je počet okolních signálů ze zdrojů, jako jsou vysílače FM a TV vysílání, mobilní telefon a obousměrné rádio. To je obzvláště problém při použití proudových sond nebo externích antén. Obvykle spustím základní poměr na analyzátoru pomocí režimu "Max Hold" pro sestavení kompozitního prostředí. Potom aktivuji další stopy pro skutečná měření. Například mám často tři stopy nebo stopy na obrazovce; výchozí základní stav, předběžný graf a plot "po" s určitou fixací.

Často je snazší snižovat frekvenční rozsah spektrálního analyzátoru na nulovou hodnotu na určité harmonické, čímž se eliminuje většina okolních signálů. Pokud je harmonická úzkopásmová kontinuální vlna (CW), pak snížení šířky pásma rozlišení (RBW) může také pomoci oddělit harmonické EUT od okolních prostředí. Jen se ujistěte, že redukce RBW také nezmenšuje harmonickou amplitudu.

Další opatrnost je, že silné nedaleké vysílače mohou ovlivnit amplitudovou přesnost naměřených signálů a také vytvářet směšovací produkty, které se zdají být harmonické, ale skutečně jsou kombinace vysílací frekvence a směšovacího obvodu v analyzátoru. Možná budete muset použít externí pásmový filtr na požadovanou harmonickou frekvenci, abyste snížili vliv externího vysílače. Ačkoli je to dražší, přijímač EMI s naladěnou předvolbou by byl užitečnější než normální spektrální analyzátor ve vysokém RF prostředí. Keysight Technologies a Rohde & Schwarz by byli dodavateli, kteří by měli zvážit. Všechny tyto techniky jsou podrobněji popsány v odkazu 3.

Vyzařované emise

Obvykle se jedná o test s nejvyšším rizikem. Nastavte analyzátor spektra následujícím způsobem:

  1. 1. Frekvence 10 až 500 MHz
  2. 2. Rozlišení šířky pásma = 100 nebo 120 kHz
  3. 3. Předzesilovač = Zapnuto (nebo pokud externí analyzátor chybí, použijte externí předzesilovač 20 dB)
  4. 4. Nastavte referenční úroveň tak, aby byly zobrazeny nejvyšší harmonické a vertikální měřítko čte v krocích po 10 dB
  5. 5. Používejte pozitivní detekci špiček
  6. 6. Nastavte vnitřní útlum = nula

Někdy dávám přednost nastavení vertikálních jednotek z výchozího dBm na dBμV, takže zobrazená čísla jsou pozitivní. Toto je také stejná jednotka používaná v testovacích limitech standardů. Také rád nastavím horizontální měřítko z lineárního na log, takže frekvence jsou snadněji čitelné.

Provádím počáteční skenování až do 500 MHz, protože to je obvykle nejhorší případ pro digitální harmonické. Budete chtít také zaznamenávat emise nejméně do 1GHz (nebo vyšší), abyste charakterizovali jakékoli jiné dominantní emise. Obecně řečeno, vyřešení nižších kmitočtových harmonických také sníží vyšší harmonické.


Poblíž pole

Nejvíce poblíž sondových sond jsou dodávány sondami E-field a H-field. Rozhodování o sondách H-pole nebo E-pole závisí na tom, zda budete zkoumat proudy - to znamená, že di / dt - (stopy obvodů, kabely atd.) Nebo vysoké napětí - EMI je, dV / dt - spínací zdroje atd.). Oba jsou užitečné pro lokalizaci netěsných švů nebo mezery v stíněných krytech.

Začněte s větším snímačem H-pole (obrázek 1) a očistěte kolem krytu produktu, desky s obvody a připojených kabelů. Cílem je určit hlavní zdroje hluku a specifické úzkopásmové a širokopásmové frekvence. Zaznamenejte pozorované polohy a dominantní frekvence. Jakmile jste na zdrojích nulová, možná budete chtít přepnout na sondy H-pole s menším průměrem, které nabídnou větší rozlišení (ale méně citlivost).

Obrázek 1
Obrázek 1. Pro zjištění potenciálních zdrojů emisí se používá přibližná sonda.
obrázek 2
Obrázek 2. Sondy H-pole nabízejí nejlepší citlivost, pokud jsou orientovány ve vztahu k stopě nebo kabelu, jak je znázorněno. Obrázek, zdvořilost Patrick André.

Pamatujte, že ne všechny zdroje vysokofrekvenční energie umístěné na desce budou skutečně vyzařovat! Radiace vyžadují určitou formu spojení s "anténou" strukturou, jako je kabel I / O, napájecí kabel nebo švy v stíněném krytu.

Porovnejte harmonické frekvence se známými hodinovými oscilátory nebo jinými vysokofrekvenčními zdroji. Pomůže vám používat kalkulačku hodinových oscilátorů, kterou vypracoval můj spoluautor Patrick André. Viz odkaz na stažení v Odkazu 2.

Při použití potenciálních oprav na úrovni desky zajistěte, aby jste nalepili sondu v blízkosti pole, abyste snížili kolísání, které se vyskytne při fyzickém umístění špičky sondy. Nezapomeňte, že se zajímají především o relativní změny, protože používáme opravy.

Sondy H-pole jsou také nejcitlivější (spojují nejvíce magnetický tok), když je jejich rovina orientována paralelně s stopou nebo kabelem. Je také nejlepší umístit sondu o 90 stupňů na rovinu desky PC. Viz obrázek 2.

Proudová sonda Dále naměřte připojené proudy kabelů běžného režimu (včetně napájecích kabelů) vysokofrekvenčním proudovým snímačem, jako je Fischer Custom Communications model F-33-1 nebo ekvivalentní (obrázek 3). Dokumentuje umístění nejdůležitějších několika harmonických a srovná se se seznamem, který je určen blízkým průzkumem. Ty budou pravděpodobně skutečně vyzařovat a způsobit selhání testu, protože proudí na konstrukcích podobné anténě (kabely). Pro výpočet skutečného proudu u určité frekvence použijte kalibrační tabulku přenosové impedance dodané výrobcem. Vezměte prosím na vědomí, že trvá pouze 5 až 8 μA vysokofrekvenčního proudu, aby nedošlo k selhání testovacích limitů FCC nebo CISPR.

obrázek 3
Obrázek 3. Použití proudové sondy pro měření vysokofrekvenčních proudů proudících na I / O a silových kabelech.

Je to dobrý nápad posunout současnou sondu tam a zpět, abyste maximalizovali harmonické. To je proto, že některé frekvence budou rezonovat na různých místech, kvůli stojatým vlnám na kabelu.

Je také možné předpovědět vyzařované pole E (V / m) vzhledem k proudu, který proudí v drátu nebo kabelu, s předpokladem, že délka je elektricky krátká s frekvencí obav. Toto bylo prokázáno, že je přesné pro kabely dlouhé 1 m až do 200 MHz. Další informace naleznete v části Reference 3.


Poznámka k použití externích antén

Všimněte si, že při použití externích antén EMI existují dva různé cíle.

  1. 1. Relativní řešení problémů, kde znáte oblasti selhávajících kmitočtů a potřebujete snížit jejich amplitudy. Kalibrovaná anténa není nutná, protože jsou důležité pouze relativní změny. Důležitou věcí, kterou bych měla být, že harmonický obsah EUT by měl být snadno viditelný.
  2. 2. Před testováním shody, kde chcete duplikovat nastavení testu, jak je používá v laboratoři testování shody. To znamená, že nastavenou anténu nastavíte 3m nebo 10m od testovaného produktu nebo systému a v předstihu zjistíte, zda předcházíte či zda nedojde.

Před zkoušením shody s vyzařovanými emisemi

Pokud si přejete nastavit předběžnou zkoušku (# 2 výše) a poté dát kalibrovanou EMI anténu vzdálenou 3m nebo 10m od EUT, můžete vypočítat E-pole (dBμV / m) záznamem dBμV čtení spektrálního analyzátoru a factoringu v koaxiální ztrátě, zesílení externího předzesilovače (pokud je použito), jakéhokoliv externího atenuátoru (pokud je použit) a faktoru antény (z kalibrace antény poskytnuté výrobcem). Tento výpočet lze pak porovnat přímo s emisními limity vyzařovaných emisí 3m nebo 10m pomocí vzorce:

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

Pro účely tohoto článku se zaměřím především na postup při odstraňování problémů pomocí antény s velkým rozestupem (# 1 výše) pro obecnou charakterizaci skutečně vyzařovaných harmonických úrovní a testování potenciálních oprav. Například pokud víte, že byste mohli překročit limit o 3 dB při určité harmonické frekvenci, znamená to, že cílem by mělo být snížení emisí o 6 až 10 dB o dostatečnou marži.

Obrázek 1
Obrázek 4. Typické nastavení testu pro měření skutečných vyzařovaných emisí při odstraňování příčin.


Odstraňování problémů pomocí antény s malou roztečí

Jakmile je harmonický profil výrobku plně charakterizován, je na čase zjistit, které harmonické skutečně vyzařují. K tomu použijeme anténu umístěnou nejméně 1 m od testovaného produktu nebo systému k měření skutečných emisí (obrázek 4). Typicky to bude únik z připojených I / O nebo silových kabelů, stejně jako únik v stíněném krytu. Porovnejte tyto údaje s údaji blízkého pole a proudových sond. Můžete zjistit pravděpodobný zdroj (zdroje) zaznamenaných emisí?

Zkuste určit, zda je kabelové záření dominantním problémem tím, že jednotlivě vyjmete kabely. Můžete také vyzkoušet instalaci feritové tlumivky na jeden nebo více kabelů jako test. Použijte sondy blízké pole, abyste zjistili, zda dochází také k úniku ze švů nebo otvorů v stíněném krytu.

Jakmile jsou zdroje emisí zjištěny, můžete využít své znalosti filtrování, uzemnění a stínění pro zmírnění problémových emisí. Zkuste určit konektorovou cestu zevnitř produktu k vnějším kabelům. V některých případech může být obvodová deska nutno přepracovat optimalizací vrstev vrstvy nebo odstraněním vysokorychlostních stop, které překračují mezery v návratových rovinách apod. Při pozorování výsledků v reálném čase s anténou umístěnou v určité vzdálenosti, fáze by měla jít rychle.



Společné problémy

Existuje několik oblastí, které mohou způsobit vyzařované emise:

  1. 1. Špatné ukončení štítů kabelů je hlavní problém
  2. 2. Stínění netěsného produktu
  3. 3. Vnitřní propojení kabelů se švy nebo vstupními / výstupními oblastmi
  4. 4. Vysokorychlostní stopy procházející mezerami v rovině návratu
  5. 5. Suboptimální vrstva vrstev
Další informace o problémech návrhu a návrhu desky PC, které mohou způsobit selhání emisí, naleznete v odkazech.

Radiační imunita

Nejvíce vyzařované testy odolnosti jsou prováděny od 80 do 1000 MHz (nebo v některých případech až 2,7 GHz). Společné testovací úrovně jsou 3 nebo 10 V / m. Vojenské výrobky mohou v závislosti na provozním prostředí dosahovat až 50 až 200 V / m. Obchodní norma pro většinu výrobků je IEC 61000-4-3, jejíž nastavení testu je docela zapojeno. Nicméně pomocí několika jednoduchých technik můžete rychle identifikovat a vyřešit většinu problémů.

Ruční rádiové zařízení Pro vysílanou imunitu zpravidla začínáme mimo EUT a používáme ruční vysílače bez licencí, jako jsou vysílače vysílané službou Family Radio Service (FRS) (nebo ekvivalentní) k určení oblastí slabosti. Tím, že držíte tyto radiostanice s nízkým výkonem v blízkosti zkušebního výrobku nebo systému, můžete často vynutí poruchu (obrázek 5).

Podržte tlačítko vysílání dolů a spusťte rádiovou anténu po celé EUT. To by mělo zahrnovat všechny kabely, švy, porty zobrazení atd.

obrázek 5
Obrázek 5. Použití bezkontaktního vysílače k ​​vynucení poruchy.

RF generátor

Je velmi časté, že jsou jen některé kmitočtové pásma citlivé a někdy rádiové kapely s pevnou frekvencí nejsou účinné. V tomto případě používám nastavitelný RF generátor s připojenou velkou sondou H-pole a sondou všude kolem známých selhávajících kmitočtů. Rovněž pomáhá sondovat interní kabely a desku PC k určení oblastí citlivosti. U menších produktů, jako na obrázku 6, zkuste použít menší sondy H-pole pro nejlepší fyzické rozlišení.
obrázek 6
Obrázek 6. Použití RF generátoru a sondy H pro určení oblastí citlivosti.

Místo větších laboratoří RF generátorů používám také menší USB-řízený RF syntezátor, jako Windfreak SynthNV (nebo ekvivalentní) s blízkou polní sondu. SynthNV může produkovat až 19 dBm RF výkon od 34 MHz do 4,4 GHz, takže funguje dobře. To se také hodí do mé sestavy pro řešení potíží EMI. Viz obrázek 7. Seznam referenčních generátorů naleznete v referenčním dokumentu 1.

obrázek 7
Obrázek 7. Použití malého syntetizovaného RF generátoru k produkci intenzivních RF polí okolo špičky sondy

Elektrostatický výboj

Testování elektrostatického výboje se nejlépe provádí pomocí zkušebního nastavení popsaného v normě IEC 61000-4-2. To vyžaduje zkušební tabulku a pozemní roviny určitých rozměrů. EUT je umístěn uprostřed zkušební tabulky. Obvykle doporučuji výměnu dlaždic s měděnými nebo hliníkovými deskami o rozměrech 4 x 8 stop, které se vejdou přímo do prostoru existujících dlaždic (obrázek 8). Testování vyžaduje simulátor ESD, který je dostupný z mnoha zdrojů. Viz odkaz 1. Používám starší KeyTek MiniZap, který je poměrně malý a lze jej nastavit na +/- 15 kV. Existuje několik dalších vhodných (a novějších) návrhů.

postavení 8
Obrázek 8. Nastavení testu ESD podle IEC 6100-4-2. Obrázek, zdvořilost Keith Armstrong.

Testování ESD je spíše složité, pokud jde o identifikaci zkušebních bodů, avšak v podstatě existují dva testy - výboj vzduchu a kontaktní výboj. Použijte odvzdušnění pro všechny body, kde by se operátor mohl dotknout vnější části EUT. Použijte výpusť kontaktů pro všechny kovy, u kterých by se mohl operátor dotýkat a propouštět. Zkontrolujte pozitivní i negativní polaritu. Většina komerčních testů vyžaduje 4 kV kontaktní výboj a 8 kV vzduchový výboj.

Test nastavení také zahrnuje horizontální a vertikální spojovací roviny. Použijte špičku kontaktu s výtokem do spojovacích rovin. Tyto letadla potřebují cestu s vysokou impedancí na zem. Podrobné informace a přesné zkušební postupy naleznete v normě IEC.


obrázek 9
Obrázek 9. Typický simulátor ESD se špičkami vzduchu a kontaktu. Může produkovat až +/- 15 kV.

souhrn

Vytvořením vlastní zkušební laboratoře pro řešení potíží EMI a testování předběžných testů ušetříte čas a peníze tím, že přesunete proces odstraňování závad v podniku, spíše než plánovací čas a související náklady a zpoždění plánování v závislosti na komerčních testovacích laboratořích.

Většina testů EMI s vysokým rizikem se snadno provádí s nízkými náklady. Úspory nákladů při řešení problémů na vašem vlastním zařízení mohou dosáhnout až stovky tisíc dolarů a týdnů nebo měsíců zpoždění produktu.


Reference

Doporučený seznam zařízení pro odstraňování problémů EMI - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 1. Hodinový oscilátor Kalkulačka (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2. André a Wyatt, EMI Řešení potíží s kuchařskou knihou pro produktové designéry, SciTech, 2014.
  3. 3. Joffe a Lock, důvody pro uzemnění, Wiley, 2010
  4. 4. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009
  5. 5. Mardiguian, EMI Techniky řešení problémů, McGraw-Hill, 2000
  6. 6. Montrose, EMC Made Simple, Montrose Compliance Services, 2014
  7. 7. Morrison, uzemnění a stínění - obvody a interference, Wiley, 2016
  8. 8. Williams, EMC pro produktové designéry, Newnes, 2017


Chtěl bys...