EMI一致性到底有多重要？四種方法教你正確排查EMI是否一致

在低頻段，系統(tǒng)中的電路節(jié)點(diǎn)阻抗可能變化很大；此時要求一定的電路或?qū)嶒?yàn)知識，以確定H場或E場能否提供高的靈敏度。在較高頻段，這些區(qū)別可能非常顯著。重要的是，每次試驗(yàn)改變時近場探針的布局和方面要保持一致。

EMI一致性到底有多重要？

很多公司發(fā)現(xiàn)他們的電子產(chǎn)品在上架銷售前常常栽倒在后一關(guān)，即符合EMC要求。這使他們認(rèn)識到在早期設(shè)計(jì)階段重視預(yù)測試和EMI診斷的重要性，以盡量減小測試不合格的影響——重新設(shè)計(jì)和設(shè)備召回，以及延遲產(chǎn)品上市。等到開發(fā)期結(jié)束才去了解產(chǎn)品是否能夠通過一致性測試是一場豪賭，因?yàn)槊看胃倪M(jìn)涉及的開發(fā)成本會以指數(shù)規(guī)律攀升。

因此，通過試產(chǎn)原型機(jī)，甚至早在研發(fā)階段，從設(shè)計(jì)調(diào)研上排查EMI日益重要。對問題電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采取預(yù)防措施是能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)帶來便利。

圖1：當(dāng)產(chǎn)品在開發(fā)階段一步步推進(jìn)時，變更所承擔(dān)的潛在成本上升，清除EMI問題的可用措施逐步受到限制。

圖字：PCB、濾波、接地、地彈、軟件等；成本效益及可用措施；預(yù)防措施；承擔(dān)的成本；階段；預(yù)一致性測試；一致性測試；研發(fā)；原型；試產(chǎn)；生產(chǎn)；設(shè)計(jì)階段；生產(chǎn)階段。

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要經(jīng)過多次修改才能達(dá)到限值。他們既不擁有EMI診斷訣竅，EMI診斷也不是他們?nèi)粘Ｘ?zé)任的一部分。通常，僅當(dāng)設(shè)計(jì)的電路板幾乎完工時才遞交給EMC部門或外部實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步測試。然而，相比早期設(shè)計(jì)階段（這時某些設(shè)計(jì)考慮或許能夠妥善處理）修改，在這個階段做出改動挑戰(zhàn)性。

符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果在設(shè)計(jì)上是可控的，能夠做出規(guī)劃，同時也是設(shè)計(jì)師的責(zé)任。解決EMI并非使用什么巫術(shù)，也無需時域工程師躲避。使用您熟悉的儀器---示波器，您能夠更好地理解EMI問題，以及了解所用解決方案的效果。

武裝起來做預(yù)一致性測試

對此，您可能會問：那么我該如何使用EMI濾波器和準(zhǔn)峰值（QP）檢波器？這取決于您是否在進(jìn)行一致性測試、預(yù)一致性測試或者在做EMI故障排查。EMI類分辨率帶寬（RBW）濾波器是窄帶的，其滾降方式以6dB為標(biāo)準(zhǔn)，而非3dB。符合標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)峰值檢波器是 根據(jù)信號峰值和重復(fù)頻率進(jìn)行檢測加權(quán)從得出峰值的。

使用不正確的濾波器和檢波器會影響設(shè)備返回的幅度值和頻率值。在一致性測試中，這兩個是強(qiáng)制遵守的標(biāo)準(zhǔn)。然而，對于EMI診斷它們不是決定性的，因?yàn)橹饕康氖菑奈锢砩虾碗姎馍献R別出輻射源。如果沒有實(shí)際的一致性精度要求，您獲得接近的估值已足夠用了。

如果用于識別輻射源，由于準(zhǔn)峰值檢波器算法結(jié)果總是小于或等于峰值檢波器，因此使用峰值檢波器足夠。準(zhǔn)峰值檢波器結(jié)果和峰值檢波器結(jié)果都涉及相同的信號重復(fù)率，您可以用公式表示數(shù)學(xué)波形，或者在故障排查過程中考慮到這一點(diǎn)。另一方面，EMI濾波器僅會略微改變結(jié)果。

與測試接收機(jī)不同，示波器在設(shè)計(jì)上沒有內(nèi)置EMI一致性限值測試。使用大多數(shù)示波器都配有的模板測試，或遠(yuǎn)程軟件，可以在示波器上定義EMI一致性限值從而模擬EMI標(biāo)準(zhǔn)測試。然后，您可以進(jìn)一步設(shè)置更多的模板，發(fā)現(xiàn)感興趣的問題區(qū)域。

圖2：限制線可以用模板替代，以確定被測設(shè)備是否符合要求。

在上圖中，超過測試限值的事件可在時域做進(jìn)一步分析。您還可以在示波器上的不同頻率范圍設(shè)置不同的RBW。

圖3：RTO Scan軟件的測試結(jié)果輸出。RTO Scan是R&S RTO系列示波器的EMI預(yù)測試應(yīng)用軟件。該軟件提供對數(shù)坐標(biāo)的頻譜圖輸出方便比對。

圖字：幅度、頻率

示波器是快速了解有害輻射并找出它們來源的有效工具。在同一臺儀器訪問時域和頻域?yàn)榭焖俜治鲇泻椛鋭?chuàng)造了條件。因?yàn)槭静ㄆ魇怯布O(shè)計(jì)工程師常用的儀器，它增強(qiáng)了研發(fā)階段的EMI排查能力，并且能夠在去EMC實(shí)驗(yàn)室前先做摸底測試，從而顯著提高了一致性測試的成功率。示波器也為您提供可用于定位、捕獲和分析輻射源的各種技術(shù)，歸納在下表中：

表1：示波器和傳統(tǒng)EMI測試設(shè)備進(jìn)行EMI診斷的技術(shù)列表，從定位和捕獲到分析有問題的輻射源。

與通常的時域相關(guān)測量或其他常用射頻測試相比，EMI測量需要不同方法。在EMI，工程師從來無法*掌握可能存在什么信號。由于每臺新被測設(shè)備都不同，根據(jù)EMI信號特征選擇正確的工具以及識別輻射源十分重要。

當(dāng)涉及預(yù)一致性和一致性測試時，示波器的頻譜分析功能并不能取代傳統(tǒng)的EMI測試設(shè)備，如頻譜分析儀或測試接收機(jī)。畢竟相對有限的動態(tài)范圍和帶寬，缺少預(yù)選器、前置放大器和與標(biāo)準(zhǔn)兼容的加權(quán)檢波器，限值了示波器在EMI測試領(lǐng)域的應(yīng)用。

示波器、頻譜分析儀或測試接收機(jī)可以從不同角度解決EMI問題。每種設(shè)備用到不同的測試方法，并提供不同但互補(bǔ)的診斷技術(shù)。示波器互補(bǔ)的方法為EMI排查診斷打開了全新的天地，提供的EMI排查能力。結(jié)合示波器中現(xiàn)有的在EMI排查方面的分析工具，將幫助您快速發(fā)現(xiàn)您設(shè)計(jì)中的潛在問題。

接下來做什么？電源是EMI干擾噪聲的主要來源，示波器的電源諧波分析在這類排查工作中很有潛力。我們不久將討論這一方面的內(nèi)容。

排查EMI是否一致的四種基本方法：

*幾乎所有政府都在嘗試控制他們國家生產(chǎn)的電子產(chǎn)品產(chǎn)生的有害電磁干擾（EMI）（見圖1）。為了向用戶提供一定的保護(hù)和安全等級，政府都會制訂涉及 電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的非常特殊的一些規(guī)則和規(guī)定。當(dāng)然這是好事。但這也意味著為了盡量減少他們的EMI特征并通過*的EMI認(rèn)證測試，許多公司必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測試方面花費(fèi)大量的人力物力。壞消息是，即使采用了好的設(shè)計(jì)原理、選擇了高質(zhì)量的元件并且仔細(xì)地表征了產(chǎn)品，當(dāng)進(jìn)行一致性測試時，如果測試并不是所有階段都進(jìn)展順利，那么EMI故障仍有可能影響到產(chǎn)品的發(fā)布日程。

通常公司為了避免這樣的情景出現(xiàn)，會在設(shè)計(jì)和原型建立階段做一些“預(yù)先的一致性”測量。更好的做法是在產(chǎn)品發(fā)出去做一致性測試之前就能夠確定和修復(fù)潛在的EMI問題。

當(dāng)然，大多數(shù)公司的實(shí)驗(yàn)室并不具備做EMI測量所需的測試室條件。好消息是，無需復(fù)制測試室條件就確定和解決EMI問題是*可行的。本文討論的一些技術(shù)可以幫助你減少一個產(chǎn)品在測試室進(jìn)行終完整的EMC一致性評估時失敗的風(fēng)險。本文還舉了一個確定信號特征和一致性以便找出EMI發(fā)射源的例子。

表1:信號中不斷變化的電壓和電流會產(chǎn)生電磁場

理解EMI報告

在討論排查技術(shù)之前，介紹一下EMI測試報告是很有必要的。乍一看，EMI報告似乎直接提供了有關(guān)特定頻率點(diǎn)故障的信息，因此事情看起來很簡單，就是使用報告中的數(shù)據(jù)確定設(shè)計(jì)中的哪個元件包含問題源頻率，并特別加以注意，以便通過下一輪測試。然而，雖然許多測試條件在報告中是明確表示的，但一些需要考慮的重要事情可能并不那么明顯。在審查設(shè)計(jì)并試圖判斷問題源時，理解測試室如何生成這種報告是很有幫助的。

請看圖2所示的EMI測試報告，這份報告顯示大約90MHz處有個故障。

表2：這份EMI檢測報告顯示大約90MHz處有故障。

圖3是對應(yīng)的列表數(shù)據(jù)報告，其中詳細(xì)列出了測試頻率、測量得到的幅度、校準(zhǔn)后的校正因子以及調(diào)整后的場強(qiáng)。然后將調(diào)整后的場強(qiáng)與下一欄中的指標(biāo)進(jìn)行比較，確定余量或超額量，顯示在右欄。

在圖3所示的余量欄中，你可以看到有一個峰值超出了這個規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在88.7291MHz處規(guī)定的極限，與規(guī)范相差-2.3。

圖3：這個列表數(shù)據(jù)對應(yīng)的是圖2，它顯示故障點(diǎn)位于88.7291MHz處，但有許多因素令人懷疑這是否是實(shí)際的頻率。

你完工了，是嗎？不，沒這么快。不要讓所有這些數(shù)字讓你相信這是問題EMI源的頻率。事實(shí)上，測試報告中給出的頻率很有可能不是實(shí)際的源頻率。無線電干擾特別委員會（CISPR）指出，在執(zhí)行輻射發(fā)射測試時，依據(jù)具體的頻率范圍必須使用不同的測試方法。每種范圍要求特定分辨率帶寬的濾波器和檢測器類型，如表1所示。濾波器帶寬決定了解析實(shí)際感興趣頻率的能力；這意味著頻率范圍在排查問題源好多方面會有變化。

表1：CISPR測試要求根據(jù)不同頻率范圍而有所變化，并影響頻率分辨率。

這里需要著重指出的是，對某些頻率范圍，CISPR測試要求提倡使用準(zhǔn)峰值（QP）這種檢測器類型，這將掩蓋實(shí)際頻率。通常EMI部門或外部實(shí)驗(yàn)室一開始 是使用簡單的峰值檢測器執(zhí)行掃描來發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域的。但當(dāng)所發(fā)現(xiàn)的信號超過或接近規(guī)定極*，他們也執(zhí)行準(zhǔn)峰值測量。準(zhǔn)峰值是EMI測量標(biāo)準(zhǔn)定義的一種方法，用來檢測信號包絡(luò)的加權(quán)峰值。它根據(jù)信號的持續(xù)時間和重復(fù)率對信號進(jìn)行加權(quán)，以便對從廣播角度看解釋為“騷擾”的信號施加更多的權(quán)重。與不頻發(fā)的脈沖相比，發(fā)生頻率更高的信號將導(dǎo)致更高的準(zhǔn)峰值測量結(jié)果。換句話說，問題信號發(fā)生的越頻繁，問題信號的幅度就越可能被準(zhǔn)峰值測量所屏蔽。

好消息是，峰值和準(zhǔn)峰值掃描對預(yù)先一致性測試來說仍然是有用的。圖4給出了一個峰值和準(zhǔn)峰值檢測的例子。圖中顯示了峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測中都能看到的脈寬為8μs、重復(fù)率為10ms的信號。結(jié)果準(zhǔn)峰值的檢測結(jié)果比峰值低了10.1dB。

圖4：峰值檢測和準(zhǔn)峰值檢測的比較。

需要記住的一個好規(guī)則是，準(zhǔn)峰值檢測值總是小于或等于峰值檢測值，永遠(yuǎn)不會大于峰值檢測值。因此你可以使用峰值檢測來開展你的EMI排查和診斷。你不需要達(dá)到與EMI部門或?qū)嶒?yàn)室掃描同等程度的精度，因?yàn)闇y量都是相對值。如果你的實(shí)驗(yàn)室報告中的準(zhǔn)峰值檢測值表明，設(shè)計(jì)超過了3dB，峰值檢測值超過了6dB，那么你就知道你需要的修復(fù)工作是將信號減小3dB或更多。

測試室為出EMI報告而開展的掃描通常是在特殊條件下進(jìn)行的，你的公司實(shí)驗(yàn)室也許無法復(fù)制這些條件。舉例來說，待測設(shè)備（DUT）可能放在一個轉(zhuǎn)盤上，以 便于從多個角度收集信號。這種方位角信息是很有用的，因?yàn)樗苤甘締栴}發(fā)生的DUT區(qū)域。或者EMI測試室可能在校準(zhǔn)過的射頻房內(nèi)開展他們的測量，并報告作為強(qiáng)場的測量結(jié)果。

幸運(yùn)的是，你并不需要*復(fù)制測試室的條件才能排查EMI測試故障。與在高度受控的EMI測試線上執(zhí)行的測量不同，可以使用測試報告中的信息、深入理解用于產(chǎn)生報告的測量技術(shù)以及對待測設(shè)備周邊的相對觀察以隔離問題源并估計(jì)糾正有效性來開展問題的排查工作。

從哪里開始發(fā)現(xiàn)EMI輻射？

現(xiàn)在是把我們的目光專注到有害的EMI源上面的時候了。當(dāng)我們從EMI的角度看任何一款產(chǎn)品時，整個設(shè)計(jì)可以被看作是能量源和天線的一個集合。EMI問題的常見（但絕不是這一種）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(shù)

電纜屏蔽不良

開關(guān)電源（DC/DC轉(zhuǎn)換器）

內(nèi)部耦合問題

金屬外殼中的靜電放電

不連續(xù)的返回路徑

為了確定一塊特定電路板上的能量源以及位于特定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？是脈沖式的還是連續(xù)的？這些信號特征可以使用基本的頻譜分析儀進(jìn)行監(jiān)視。

你還需要查看巧合性。待測設(shè)備（DUT）上的哪個信號與EMI事件是同時發(fā)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(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)的觀察和測量功能。如圖5所示的這種儀器能夠相當(dāng)容易地讓我們觀察哪個信號與哪個EMI事件同時發(fā)生，從而可以簡化EMI排查過程。

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臺儀表內(nèi)，可以從全部三臺儀器中產(chǎn)生同步的而且與時間關(guān)聯(lián)的測量結(jié)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。借助這種組合，你能夠自動顯示模擬信號特征、數(shù)字時序、總線事務(wù)以及射頻并在這些信息基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。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(guān)系曲線。射頻幅度與時間軌跡如圖6所示。

圖6：這張圖顯示了MDO提供的時間關(guān)聯(lián)觀察功能，圖中顯示了射頻幅度與時間的關(guān)系軌跡。

用近場探測開展相對測量

雖然一致性測試過程設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生的校準(zhǔn)過的測量，但排查工作很大程度上可以使用從待測設(shè)備發(fā)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(fā)現(xiàn)與射頻關(guān)聯(lián)的信號。

不過首先你得了解一些有關(guān)待探測的電磁場區(qū)的一些背景知識。圖7顯示了處于近場和遠(yuǎn)場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區(qū)。從圖中可以看到，在近場區(qū)中，場的范圍可以從占主導(dǎo)地位的磁場到占主導(dǎo)地位的電場。在近場中，非輻射行為是主導(dǎo)的，因此波阻取決于源的性質(zhì)和距源的距離。而在遠(yuǎn)場中，阻抗是固定不變的，測量不僅取決于在近場中可觀察到的活動，而且取決于天線增益和測試條件等其它因素。

圖7：這張圖顯示了近場和遠(yuǎn)場中的波阻行為以及兩者之間的過渡區(qū)。近場測量可用于EMI排查。

近場測量是可用于EMI排查的一種測量，因?yàn)樗灰鬁y試站點(diǎn)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(yuǎn)場中進(jìn)行的，而不是近場。你通常不會使用遠(yuǎn)場，因?yàn)橛刑嗟淖兞孔屗兊脧?fù)雜起來：遠(yuǎn)場信號的強(qiáng)度不僅取決于源的強(qiáng)度，而且取決于輻射機(jī)制以及可能采取的屏蔽或?yàn)V波措施。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要記住，如果你能觀察遠(yuǎn)場中的信號，那么應(yīng)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(yuǎn)場中的相同信號是很可能的）近場探針實(shí)際上就是設(shè)計(jì)用于拾取磁場（H場）或電場（E場）變化的天線。一般來說，近場探針沒有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，因此它們適合用于相對測量。如果你對用于測量H場和E場變化的探針不熟悉，那么了解一些近場探針設(shè)計(jì)和有效使用方法：

H場（磁場）探針有*的環(huán)路設(shè)計(jì)，如圖8所示。重要的是，H場探針的方向是有利于環(huán)路平面與待測導(dǎo)體保持一致的，這樣布置的環(huán)路可以使磁通量線直接穿過環(huán)路。

圖8：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(huán)路。

環(huán)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(huán)路大小，以便你使用逐漸減小的環(huán)路尺寸來縮小測量面積。

H場探針在識別有相對大電流的源時非常有用，比如：

     低阻抗節(jié)點(diǎn)和電路

     傳輸線

     電源

     端接導(dǎo)線和電纜

     E場（電場）探針用作小型單極天線，并響應(yīng)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于測量平面，如圖9所示。

圖9：將E場探針垂直于導(dǎo)體放置以便觀察電場。

在實(shí)際應(yīng)用中，E場探針適合查找非常小的區(qū)域，并識別有相對高電壓的源以及沒有端接的源，比如：

　　高阻抗節(jié)點(diǎn)和電路

　　未端接的PCB走線

　　電纜

　　在低頻段，系統(tǒng)中的電路節(jié)點(diǎn)阻抗可能變化很大；此時要求一定的電路或?qū)嶒?yàn)知識，以確定H場或E場能否提供高的靈敏度。在較高頻段，這些區(qū)別可能非常顯著。在所有情況下，開展重復(fù)性的相對測量很重要，這樣你就能肯定因?yàn)閷?shí)現(xiàn)的任何變化引起的近場輻射結(jié)果能被再現(xiàn)。重要的是，每次試驗(yàn)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于中心頻率約為144MHz的寬帶信號。借助MDO的頻譜分析儀功能，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(diǎn)是H場探針的方向要讓環(huán)路平面與待測導(dǎo)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(qū)域內(nèi)。

一旦定位到明顯的能量源，如圖10所示的射頻幅度與時間軌跡就能顯示這個范圍內(nèi)所有信號的完整的功率與時間關(guān)系。利用這個軌跡線可以清楚地看到顯示屏中有一個大的脈沖。移動頻譜時間使其通過記錄長度，很明顯可以看到EMI事件（中心位于140MHz左右的寬帶信號）直接對應(yīng)于這個大脈沖。為了使測量穩(wěn)定下來，打開射頻功率觸發(fā)器，然后增加記錄長度以判斷這個射頻脈沖發(fā)生的頻度。為了測量脈沖重復(fù)周期，打開測量標(biāo)記并直接判斷周期。

圖10：MDO的射頻幅度與時間軌跡（上圖）顯示在140MHz處有一個顯著的脈沖。頻譜圖形（下圖）顯示了這個脈沖的頻率內(nèi)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(shè)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(fā)生的信號源。

在利用示波器探針瀏覽信號一段時間后，就可以發(fā)現(xiàn)圖11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(guān)。現(xiàn)在就可以制訂EMI修復(fù)計(jì)劃了，以便在開展認(rèn)證測試之前解決這個問題。

圖11：使用示波器模擬通道上的無源探針找出與射頻關(guān)聯(lián)的信號。

本文小結(jié)

不能通過EMI一致性測試可能將產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃置于風(fēng)險之中。然而，預(yù)先一致性測試可以幫助你在到達(dá)這個階段之前排除EMI問題。與高度受控的EMI測試線中的測量不同，你可以使用EMI測試報告中的信息開展相對測量，并用它來隔離問題源，并估計(jì)修復(fù)效果。

的EMI排查一般是利用近場探測方法尋找相對高的電磁場，判斷它們的特征，然后使用混合域示波器將場活動與電路活動關(guān)聯(lián)在一起來判斷EMI源。本文概述的排查技術(shù)可以有效地幫助你隔離有害的能量源，以便于你在將設(shè)計(jì)提交給EMI認(rèn)證之前修復(fù)這個問題。