EMI-Problembehandlung - Schritt für Schritt

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier wichtigsten EMI-Probleme zu beheben, die durchgeführten Emissionen, die abgestrahlten Emissionen, die abgestrahlte Immunität und die elektrostatische Entladung. Von diesen sind die letzten drei die häufigsten Probleme mit Strahlungsemissionen. Wenn Ihr Produkt oder System (EUT) über ausreichende Stromversorgung und I / O-Port-Filterung verfügt, sind leitungsgebundene Emissionen und andere leitungsbezogene Immunitätstests in der Regel kein Problem.

Für Ihre Bequemlichkeit haben wir EMI Liste entwickelt. Der Download-Link ist in Referenz 1 aufgeführt.

Durchgeführte Emissionen

Bei adäquater Power-Line-Filterung ist dies normalerweise kein Problem, jedoch fehlt vielen kostengünstigen Netzteilen eine gute Filterung. Einige "No Name" -Marken haben überhaupt keine Filterung! Der durchgeführte Emissionstest ist einfach durchzuführen, also los geht's.

Richten Sie Ihren Spektrumanalysator wie folgt ein:

1. Frequenz 150 kHz bis 30 MHz
2. Auflösungsbandbreite = 10 oder 9 kHz
3. Vorverstärker = Aus
4. Stellen Sie den Referenzpegel ein, und die vertikale Skala liest in gleichmäßigen 10-dB-Schritten
5. Verwenden Sie später die mittlere Erkennung und CISPR-Erkennung
6. Interne Dämpfung - Beginnen Sie zunächst mit 20 bis 30 dB und stellen Sie die beste Anzeige und keine Überlastung des Analysators ein.
7. Stellen Sie die vertikalen Einheiten auf dBμV ein

Wir stellen auch gerne die horizontale Skala von linear nach log ein, so dass Frequenzen leichter auszulesen sind.

Besorgen Sie sich ein Line Impedance Stabilization Network (LISN) und positionieren Sie es zwischen dem zu testenden Produkt oder System und dem Spektrumanalysator. Beachten Sie die Reihenfolge der Verbindung unten !

ACHTUNG: Es ist oft wichtig, den Prüfling vor dem Anschluss des LISN an den Analysator einzuschalten. Dies liegt an großen Transienten und kann möglicherweise die empfindliche Eingangsstufe des Analysators zerstören. Beachten Sie, dass der TekBox LISN einen integrierten Transientenschutz besitzt. Nicht alle tun ... Sie wurden gewarnt !

Schalten Sie das EUT ein und verbinden Sie dann den 50-Ohm-Ausgang des LISN mit dem Analyzer. Achten Sie darauf, dass die Obertöne beide richtige Frequenzen in der Höhe haben und in 30 MHz abfallen. Posing Sie sicher, dass diese höheren Oberschwingungen des Analyzers nicht übersteuern. Fügen Sie bei Bedarf zusätzliche interne Dämpfung hinzu.

Durch den Vergleich der durchschnittlich festgestellten Spitzenwerte mit den entsprechenden CISPR-Grenzwerten können Sie vor einem formellen Konformitätstest feststellen, ob der EUT erfolgreich ist oder nicht.

Umgebungssender

Ein Problem, auf das Sie sofort stoßen, ist, dass beim Testen außerhalb eines abgeschirmten Raums oder einer reflexionsarmen Kammer die Anzahl der Umgebungssignale von Quellen wie UKW- und Fernsehsendern, Mobiltelefonen und Funksprechgeräten angezeigt wird. Dies ist besonders bei der Verwendung von Stromsonden oder externen Antennen ein Problem. Ich werde normalerweise eine Grundlinie auf dem Analysator im "Max Hold" -Modus laufen lassen, um ein zusammengesetztes Umgebungsdiagramm zu erstellen. Dann aktiviere ich zusätzliche Spuren für die eigentlichen Messungen. Zum Beispiel habe ich oft drei Plots oder Spuren auf dem Bildschirm; die Umgebungsgrundlinie, die "Vorher" -Plot und die "Nachher" -Plot mit einigen Fix angewendet.

Oft ist es einfacher, die Frequenzspanne auf dem Spektrumanalysator auf eine bestimmte Harmonische auf Null zu reduzieren, wodurch die meisten der Umgebungssignale eliminiert werden. Wenn die Oberwelle eine Schmalband-Dauerstrichwelle (CW) ist, dann kann das Reduzieren der Auflösungsbandbreite (RBW) auch dazu beitragen, die EUT-Oberwellen von nahe gelegenen Umgebungen zu trennen. Stellen Sie nur sicher, dass das Reduzieren der RBW nicht auch die harmonische Amplitude reduziert.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme ist, dass starke Sender in der Nähe die Amplitudengenauigkeit der gemessenen Signale beeinflussen und Mischprodukte erzeugen können, die Harmonische zu sein scheinen. Sie sind jedoch wirklich eine Kombination aus Senderfrequenz und Mischerschaltung im Analysator. Möglicherweise müssen Sie einen externen Bandpassfilter mit der gewünschten Oberwellenfrequenz verwenden, um die Wirkung des externen Senders zu reduzieren. Obwohl teurer, wäre ein EMI-Empfänger mit abgestimmter Vorauswahl in RF-Umgebungen nützlicher als ein normaler Spektrumanalysator. Keysight Technologies und Rohde & Schwarz wären Lieferanten, die berücksichtigt werden sollten. All diese Techniken werden in Referenz 3 ausführlicher beschrieben.

Strahlungsemissionen

Dies ist normalerweise der höchste Risikotest. Richten Sie Ihren Spektrumanalysator wie folgt ein:

1. Frequenz 10 bis 500 MHz
2. Auflösungsbandbreite = 100 oder 120 kHz
3. Preamp = On (oder verwenden Sie einen externen 20-dB-Vorverstärker, wenn der Analysator fehlt)
4. Stellen Sie den Referenzpegel so ein, dass die höchsten Harmonischen angezeigt werden und die vertikale Skala in gleichmäßigen 10-dB-Schritten abgelesen wird
5. Verwenden Sie eine positive Spitzenwerterkennung
6. Stellen Sie die interne Dämpfung = Null ein

Manchmal bevorzuge ich es, die vertikalen Einheiten vom Standard-dBm auf dBμV einzustellen, also sind die angezeigten Zahlen positiv. Dies ist auch die gleiche Einheit, die in den Testgrenzen der Standards verwendet wird. Ich mag es auch, die horizontale Skala von linear auf logarithmisch zu setzen, damit Frequenzen leichter ausgelesen werden können.

Ich führe meinen ersten Scan bis 500 MHz durch, weil dies normalerweise das Worst-Case-Band für digitale Harmonische ist. Sie sollten die Emissionen auch mindestens bis 1 GHz (oder höher) aufzeichnen, um andere dominante Emissionen zu charakterisieren. Im Allgemeinen reduziert das Auflösen der niedrigeren Harmonischen auch die höheren Harmonischen.

Nahfeld Sondierung

Die meisten Nahfeldsonden-Kits werden mit E-Feld- und H-Feldsonden geliefert. Die Entscheidung für H-Feld- oder E-Feld-Sonden hängt davon ab, ob Sie Ströme - dh hohe di / dt - (Leiterbahnen, Kabel usw.) oder hohe Spannungen - der EMI, dV / dt - ( Schaltnetzteile usw.). Beide sind nützlich, um undichte Nähte oder Lücken in abgeschirmten Gehäusen zu lokalisieren.

Beginnen Sie mit der größeren H-Feldsonde (Abbildung 1) und schnüffeln Sie um das Produktgehäuse, die Leiterplatte (n) und die angeschlossenen Kabel herum. Ziel ist es, wichtige Lärmquellen und spezifische Schmalband- und Breitbandfrequenzen zu identifizieren. Dokumentieren Sie die beobachteten Orte und dominanten Frequenzen. Wenn Sie die Quellen auf Null stellen, möchten Sie vielleicht zu H-Feld-Sonden mit kleinerem Durchmesser wechseln, die eine höhere Auflösung (aber weniger Empfindlichkeit) bieten.

Figure 1. Eine Nahfeldsonde wird verwendet, um potenzielle Emissionsquellen zu identifizieren.

Figure 2. H-Feldsonden bieten die beste Empfindlichkeit, wenn sie in Bezug auf die Leiterbahn oder das Kabel wie gezeigt ausgerichtet sind. Abbildung, Höflichkeit Patrick André.

Denken Sie daran, dass nicht alle Quellen von hochfrequenter Energie, die sich auf dem Board befinden, tatsächlich strahlen werden! Strahlung erfordert eine Art von Kopplung mit einer "antennenartigen" Struktur, wie etwa einem I / O-Kabel, einem Stromkabel oder einer Naht in dem abgeschirmten Gehäuse.

Vergleichen Sie die harmonischen Frequenzen mit bekannten Taktoszillatoren oder anderen Hochfrequenzquellen. Es wird helfen, den Clock Oscillator Calculator zu verwenden, der von meinem Co-Autor Patrick André entwickelt wurde. Siehe den Download-Link in Referenz 2.

Wenn Sie potenzielle Fixes auf Platinenebene anwenden, sollten Sie die Nahfeldsonde festkleben, um die Abweichungen zu verringern, die an der physischen Position der Tastspitze auftreten. Denken Sie daran, dass wir hauptsächlich an relativen Änderungen interessiert sind, wenn wir Fixes anwenden.

Außerdem sind H-Feldsonden am empfindlichsten (sie koppeln den meisten magnetischen Fluss), wenn ihre Ebene parallel zur Spur oder dem Kabel ausgerichtet ist. Es ist auch am besten, die Sonde um 90 Grad zur Ebene der Leiterplatte zu positionieren. Siehe Abbildung 2.

Strommesssonde Als nächstes messen Sie die angeschlossenen Gleichtaktkabelströme (einschließlich Stromkabel) mit einer Hochfrequenz-Strommesssonde, z. B. dem Fischer Custom Communications-Modell F-33-1 oder einem entsprechenden Gerät (Abbildung 3). Dokumentieren Sie die Positionen der oberen Oberschwingungen und vergleichen Sie sie mit der Liste, die durch Nahfeld-Sondierung ermittelt wurde. Diese werden am wahrscheinlichsten tatsächlich abstrahlen und Testfehler verursachen, da sie auf antennenartigen Strukturen (Kabel) fließen. Verwenden Sie das vom Hersteller bereitgestellte Kalibrierungsdiagramm der Übertragungsimpedanz, um den tatsächlichen Strom bei einer bestimmten Frequenz zu berechnen. Beachten Sie, dass nur 5 bis 8 μA Hochfrequenzstrom zum Versagen der FCC- oder CISPR-Testgrenzwerte erforderlich sind.

Figure 3. Verwendung einer Stromsonde zur Messung von hochfrequenten Strömen, die an E / A- und Stromkabeln fließen.

Es ist eine gute Idee, die Stromsonde vor und zurück zu schieben, um die Oberwellen zu maximieren. Dies liegt daran, dass einige Frequenzen aufgrund von stehenden Wellen auf dem Kabel an verschiedenen Orten in Resonanz treten.

Es ist auch möglich, das abgestrahlte E-Feld (V / m) vorherzusagen, wenn der Strom in einer Leitung oder einem Kabel fließt, mit der Annahme, dass die Länge bei der betreffenden Frequenz elektrisch kurz ist. Dies hat sich bei 1 m langen Kabeln mit bis zu 200 MHz als genau erwiesen. Siehe Referenz 3 für Details.

Hinweis zur Verwendung von externen Antennen

Beachten Sie, dass es zwei unterschiedliche Ziele gibt, wenn Sie externe EMI-Antennen verwenden;

1. Relative Fehlersuche, bei der Sie Gebiete mit fehlerhaften Frequenzen kennen und deren Amplituden reduzieren müssen. Eine kalibrierte Antenne ist nicht erforderlich, da nur relative Änderungen wichtig sind. Wichtig ist, dass der Obertongehalt aus dem EUT gut sichtbar sein soll.
2. Pre-Compliance-Tests, bei denen Sie das Test-Setup nach dem Vorbild des Compliance-Testlabors duplizieren möchten. Dies bedeutet, dass Sie eine kalibrierte Antenne 3 m oder 10 m von dem zu prüfenden Produkt oder System einrichten und im Voraus bestimmen müssen, ob Sie vorbeigehen oder nicht.

Vorab-Konformitätstests für abgestrahlte Emissionen

Wenn Sie einen Pre-Compliance-Test durchführen möchten (Nr. 2 oben), können Sie das E-Feld (dBμV / m) berechnen, indem Sie eine kalibrierte EMI-Antenne 3 m oder 10 m entfernt vom EUT messen dBμV Auslesen des Spektrumanalysators und Einberechnung des Koaxverlustes, der externen Vorverstärkerverstärkung (falls verwendet), eines beliebigen externen Abschwächers (falls verwendet) und des Antennenfaktors (aus der Antennenkalibrierung des Herstellers). Diese Berechnung kann dann direkt mit den 3-m- oder 10-m-Strahlungsemissions-Testgrenzen unter Verwendung der folgenden Formel verglichen werden:

E-Feld (dBμV / m) = SpecAnalyzer (dBμV) - VorverstärkerGain (dB) + CoaxVerlust (dB) + AttenuatorVerlust (dB) + AntFaktor (dB)

Für die Zwecke dieses Artikels konzentriere ich mich hauptsächlich auf das Verfahren zur Fehlersuche unter Verwendung einer nahe beieinander liegenden Antenne (Nr. 1 oben) zur allgemeinen Charakterisierung von tatsächlich abgestrahlten Oberschwingungsniveaus und zum Testen potenzieller Fehler. Wenn Sie zum Beispiel wissen, dass Sie bei einer Oberschwingungsfrequenz um 3 dB über dem Grenzwert liegen, sollte Ihr Ziel darin bestehen, diese Emission um 6 bis 10 dB zu reduzieren, um eine ausreichende Marge zu erzielen.

Figure 4. A typical test setup to measure actual radiated emissions while troubleshooting the causes.

Fehlerbehebung bei einer Nahfeld Antenne

Sobald das harmonische Profil des Produkts vollständig charakterisiert ist, ist es Zeit zu sehen, welche Harmonischen tatsächlich ausstrahlen. Dazu verwenden wir eine Antenne, die mindestens 1 m von dem zu testenden Produkt oder System entfernt ist, um die tatsächlichen Emissionen zu messen (Abbildung 4). In der Regel handelt es sich um Lecks von angeschlossenen E / A- oder Stromkabeln sowie Leckagen im abgeschirmten Gehäuse. Vergleichen Sie diese Daten mit denen der Nahfeld- und Stromsonden. Können Sie jetzt die wahrscheinliche (n) Quelle (n) der notierten Emissionen bestimmen?

Versuchen Sie festzustellen, ob die Kabelstrahlung das dominierende Problem ist, indem Sie die Kabel einzeln entfernen. Sie können auch versuchen, eine Ferritdrossel an einem oder mehreren Kabeln als Test zu installieren. Verwenden Sie die Nahfeldsonden, um festzustellen, ob auch an Nähten oder Öffnungen im abgeschirmten Gehäuse Leckagen auftreten.

Sobald die Emissionsquellen identifiziert sind, können Sie Ihr Wissen über Filterung, Erdung und Abschirmung nutzen, um die Problememissionen zu mindern. Versuchen Sie, den Kopplungsweg vom Produktinneren zu den Außenkabeln zu ermitteln. In einigen Fällen muss die Leiterplatte möglicherweise neugestaltet werden, indem die Schichtstapelung optimiert wird oder Hochgeschwindigkeitsspuren vermieden werden, die Lücken in Rückführungsebenen usw. durchqueren. Durch Beobachten der Ergebnisse in Echtzeit mit einer Antenne, die in einiger Entfernung angeordnet ist, die Abschwächung Phase sollte schnell gehen.

Häufige Probleme

Es gibt eine Reihe von Produktdesignbereichen, die Strahlungsemissionen verursachen können:

1. Schlechte Kabelabschirmungen sind das Hauptproblem
2. Undichte Produktabschirmung
3. Interne Kabel, die an Nähte oder E / A-Bereiche koppeln
4. Hochgeschwindigkeitsspuren, die Lücken in der Rückführungsebene kreuzen
5. Suboptimale Schichtstapelung

Weitere Informationen zu System- und PC-Board-Design-Problemen, die zu Emissionsausfällen führen können, finden Sie in den Referenzen.

Gestrahlte Immunität

Die meisten Immunitätstests werden von 80 bis 1000 MHz (in einigen Fällen bis zu 2,7 GHz) durchgeführt. Übliche Testlevels sind 3 oder 10 V / m. Militärische Produkte können je nach Einsatzgebiet zwischen 50 und 200 V / m betragen. Der kommerzielle Standard für die meisten Produkte ist IEC 61000-4-3, dessen Testaufbau ziemlich kompliziert ist. Mithilfe einiger einfacher Techniken können Sie jedoch die meisten Probleme schnell erkennen und beheben.

Handfunkgerät Im Fall von ausgestrahlter Immunität beginnen wir in der Regel außerhalb des EUT und verwenden lizenzfreie Handsender wie die Walkie-Talkies von Family Radio Service (FRS) (oder Ähnliches), um Schwachstellen zu ermitteln. Wenn Sie diese Funkgeräte in der Nähe des zu testenden Produkts oder Systems halten, können Sie häufig einen Fehler erzwingen (Abbildung 5).

Halten Sie die Sendetaste gedrückt und lassen Sie die Radioantenne um den EUT laufen. Dies sollte alle Kabel, Nähte, Display-Ports usw. umfassen.

Figure 5. Verwenden eines lizenzfreien Senders um einen Fehler zu erzwingen.

RF Generator

Es ist sehr häufig, dass nur bestimmte Frequenzbänder empfänglich sind und manchmal sind die Funkgeräte mit fester Frequenz nicht effektiv. In diesem Fall verwende ich einen einstellbaren RF-Generator mit angeschlossenem großen H-Feld-Tastkopf und Sonde bei bekannten Ausfallfrequenzen. Es hilft auch, die internen Kabel und die PC-Platine zu untersuchen, um Empfindlichkeitsbereiche zu bestimmen. Bei kleineren Produkten, wie in Abbildung 6, versuchen Sie, die kleineren H-Feld-Sonden für die beste physikalische Auflösung zu verwenden.

Anstelle der größeren HF-Generatoren in Laborqualität verwende ich auch einen kleineren USB-gesteuerten RF-Synthesizer, wie den Windfreak SynthNV (oder gleichwertig) mit der Nahfeldsonde. Der SynthNV kann bis zu +19 dBm HF-Leistung von 34 MHz bis 4,4 GHz erzeugen, funktioniert also gut. Dies passt auch gut in mein EMI Fehlersuch-Kit. Siehe Abbildung 7. Eine Liste der empfohlenen Generatoren finden Sie in Referenz 1.

Figure 7. Anwendung einem kleinen synthetisierten RF-Generators zur Erzeugung intensiver RF-Felder um die Sondenspitze herum

Elektrostatische Entladung

Elektrostatische Entladungstests werden am besten mit einem Testaufbau durchgeführt, wie er in der Norm IEC 61000-4-2 beschrieben ist. Dies erfordert eine Testtabelle und Masseebenen bestimmter Dimensionen. Das EUT wird in der Mitte des Testtisches platziert. Normalerweise empfehle ich, die Bodenfliesen durch 4 x 8 Fuß große Bleche aus Kupfer oder Aluminium zu ersetzen, die genau in die Zwischenräume der vorhandenen Fliesen passen (Abbildung 8). Das Testen erfordert einen ESD-Simulator, der von einer Anzahl von Quellen verfügbar ist. Siehe Referenz 1. Ich verwende den älteren KeyTek MiniZap, der relativ klein ist und auf +/- 15 kV eingestellt werden kann. Es gibt mehrere andere geeignete (und neuere) Entwurfs.

Figure 8. Der ESD-Testaufbau nach IEC 6100-4-2. Bild, mit freundlicher Genehmigung von Keith Armstrong.

ESD-Tests sind ziemlich komplex, was die Identifizierung der Testpunkte betrifft, aber grundsätzlich gibt es zwei Tests - Luftentladung und Kontaktentladung. Verwenden Sie den Luftauslass für alle Punkte, an denen ein Bediener die Außenseite des Prüflings berühren könnte. Verwenden Sie Kontaktentladungen für alle freiliegenden Metallteile, an denen sich ein Bediener berühren und entladen kann. Testen Sie sowohl positive als auch negative Polaritäten. Die meisten kommerziellen Tests erfordern 4 kV Kontaktentladung und 8 kV Luftentladung.

Der Testaufbau umfasst auch horizontale und vertikale Kopplungsebenen. Verwenden Sie die Kontaktentladungsspitze in die Kupplungsebenen. Diese Ebenen benötigen einen hochohmigen Entladungsweg zur Erde. Einzelheiten und genaue Testverfahren finden Sie in der IEC-Norm.

Figure 9. Ein typischer ESD-Simulator mit Luft- und Kontaktentladungsspitzen. Er kann bis zu +/- 15 kV erzeugen.

Zusammenfassung

Durch die Entwicklung eines eigenen Prüflabors für die EMI-Fehlersuche und -Überprüfung sparen Sie Zeit und Geld, indem Sie den Fehlerbehebungsprozess intern durchführen, anstatt Zeitpläne und die damit verbundenen Kosten- und Terminierungsverzögerungen in Abhängigkeit von kommerziellen Prüflaboren zu verschieben.

Die meisten der risikoreichen EMI-Tests können leicht mit kostengünstigen Geräten durchgeführt werden. Die Kosteneinsparungen durch die Fehlersuche in Ihrer eigenen Einrichtung können bis zu Hunderttausende von Dollar und Wochen oder Monaten Produktverzögerungen betragen.

Referenzen

Empfohlene Liste von EMI-Fehlersuchgeräten - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

1. Taktoszillator-Rechner (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
2. André und Wyatt, EMI Fehlerbehebung Kochbuch für Produktdesigner, SciTech, 2014.
3. Joffe und Lock, Begründung für Grounding, Wiley, 2010
4. Ott, Elektromagnetische Verträglichkeitstechnik, Wiley, 2009
5. Mardiguian, EMI-Problembehandlungstechniken, McGraw-Hill, 2000
6. Montrose, EMC Made Simple, Montrose Compliance Services, 2014
7. Morrison, Grounding And Shielding – Circuits and Interference, Wiley, 2016
8. Williams, EMC For Product Designers, Newnes, 2017

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