实用的电磁干扰故障排查

简介

EMI/EMC法规在全球范围内实施，旨在为电气和电子设备用户提供一定的保护和安全。如今的产品设计投入大量时间和精力，以最大限度地减少其EMI特征。

许多公司聘请专业测试设施来执行EMI/EMC认证所需的实际合规测试。测试设施可能属于外部公司（“测试机构”）或内部的EMC部门。大多数工程师采用良好的设计实践，以最大限度地减少EMI/EMC问题的可能性。即使有准确的EMI/EMC仿真软件，如今在设计和原型阶段仍常进行“预合规”测量，以识别并解决潜在的EMI/EMC问题，然后产品送去合规测试。这些技术降低了产品在测试场最终完全合规中失败的风险。

图1。这份EMI测试报告显示大约在90 MHz频率处出现故障。

表1。CISPR测试要求随频率范围和撞击频率分辨率而异。

图2。这些数据显示图1在88.7291 MHz的故障，但不要因为这些数字就认为这就是源的精确频率。

但如果产品未能通过合规测试怎么办？

即使采用了良好的设计，选择了高质量的元件，并花时间仔细分析产品特性，仍然可能遇到电磁干扰（EMI）问题！（图1）

上述报告显示，存在一个峰值超过该标准的限制。通常报告中我们还会收到表格格式的信息（见图2）。

理解EMI报告

乍一看，像上面这样的EMI报告似乎能直接说明某一频率的故障情况。识别设计中包含该源频率的组件并施加一定衰减以通过测试应该很简单。在仔细分析设计以确定问题根源之前，必须先了解测试厂是如何生成这份报告的。

图2中的报告显示了测试频率、测量幅度、校准后的校正因子和调整后的场强。调整后的磁场强与规格进行比较，以确定余裕或余量。虽然报告中明确列出了许多测试条件，但有些重要问题可能并不那么明显。

频率范围及测试点数量：

测试报告中给出的频率极不可能完全等同于EMI源的频率。频率范围和测试点数有助于判断合规测试频率与实际频率的接近程度。根据国际无线电干扰特别委员会（CISPR），在进行辐射发射测试时，必须根据频率范围使用不同的测试方法。每个范围都需要特定的分辨率带宽滤波器和探测器类型，如表1所示。频率范围决定滤波器带宽，从而决定精确识别目标频率的能力。

探测器类型：一般来说，测试机构会先完成峰值扫描，因为该测试所需时间最短。由于探测器的特性，准峰（QP）扫描完成所需时间要长得多（参见侧栏“常见的峰值检测类型”）。准峰值检测采用测量权重，更强调从广播角度可能被解读为“烦人”的信号，因此检测器类型可能会掩盖问题信号的绝对幅度。

方位角/距离：在进行扫描时，被测单元（UUT）可以放置在转盘上，以便从多个角度收集信息。这些方位信息非常有用，因为它能指示问题来自UUT的哪个区域。

更复杂的是，EMI/EMC测试机构将在校准后的射频腔室内进行测量，并将结果作为场强的测量单位报告。

幸运的是，您无需重复测试房屋状况来排查EMI测试失效。与高度控制的EMI测试设施中进行绝对测量不同，故障排查可利用测试报告中的信息、对生成报告所用测量技术的良好理解，以及在UUT周围进行的相对观测，以隔离源头并评估修复效果。

常见的峰值检测类型

EMI测量可以通过简单的峰值检测器完成。但电磁干扰部门或外部测试机构使用准峰值（QP）探测器。所以你可能会想，是否也需要QP探测器。

EMI部门或外部实验室通常通过使用简单的峰值检测器进行扫描开始测试，以发现超过或接近规定限值的问题区域。对于接近或超过极限的信号，他们会进行QP测量。QP探测器是一种由EMI测量标准定义的特殊检测方法。QP检波器用于检测信号包络的加权峰值值（准峰值）。它根据信号的时长和重复率对信号进行权重。出现频率更高的信号会比偶尔脉冲的脉冲获得更高的量子键。

图3展示了峰值和量子点检测的示例。这里，脉冲宽度为8微秒、重复率为10毫秒的信号在峰值和量子点检测中均可检测到。最终的QP值比峰值低10.1 dB。

图3。峰值检测与准峰值检测的比较。

一个好规则是，QP总是小于或等于峰值检测，绝不会更大。所以你可以用峰值检测来进行电磁干扰的故障排查和诊断。你不需要精确到EMI部门或实验室扫描，因为这都是相对的。如果你的实验室报告显示设计偏离3 dB，峰值检测偏出6 dB，那么你需要实施修正，将信号降低3 dB或更多。

我该从哪里开始？

从电磁干扰的角度看任何产品，整个设计可以被视为能源源和天线的集合。要确定EMI问题的来源，首先要确定能量的来源，其次要了解这种能量是如何被辐射的。EMI问题的常见来源*包括：

电源滤波器
地阻抗
信号回波不足
液晶排放
组件寄生
电缆屏蔽不良
切换电源（直流/直流转换器）
内部耦合问题
金属外壳中的静电阻隔
不连续回程路径

* W. D. 金梅尔，D. D. 格尔克;“医疗电子领域十大常见EMI问题”;医疗电子设计;2005年10月1日

虽然这份清单概述了一些常见的分期付款来源，但绝非权威的清单。为了确定特定板上的能量来源，工程师通常会使用近场探针。使用这类探针时，我们必须牢记信号传播的基本原理。

为了确定特定EMI问题的核心源和天线，我们可以考察观测信号的周期性和重合性。

周期性：

信号的射频频率是多少？
它是脉冲的还是连续的？

这些信号特性可以用基础的频谱分析仪监测。

巧合：

UUT上哪个信号与EMI事件重合？

常用示波器来探测UUT上的电信号。

检查电磁干扰问题与电气事件的同时性，可以说是电磁干扰诊断中最耗时的过程。过去，将频谱分析仪和示波器的信息进行有意义的关联非常困难。MDO4000系列混合域示波器（见侧栏：“混合域示波器”）的引入，消除了多台仪器同步以进行EMI故障排查的困难。

图4。在近场中，波阻抗取决于源的性质及其距离。远场阻抗保持恒定

图5。远场测量不仅依赖近场可观测的活动，还包括天线增益和测试条件等其他因素。

近场与远场测量

图4展示了近场和远场中波阻抗的行为，以及它们之间的过渡区。我们可以看到，在近场区域，电场可以从主要磁场到以电为主的不等。近场测量用于故障排除，因为它们可以精确定位能量源，且无需特殊测试场地即可完成。

然而，顺应性测试是在远场进行的，从近场测量预测远场能量水平可能较为复杂，因为远场信号的强度不仅取决于源的强度，还取决于辐射机制以及可能存在的任何屏蔽或滤波。作为经验法则，我们必须记住，如果我们能在远场观测到信号，那么在近场也应该能看到相同的信号。然而，有可能在近场观测到信号，而在远场中却看不到相同的信号。

图6。构成信号的电压和电流变化会产生电场和磁场。

近场探测

虽然合规测试程序旨在产生绝对且校准的测量结果，但故障排除在很大程度上可以通过相对测量来完成。

近场探针本质上是设计用来接收磁场（H场）或电场（电场）变化的天线。一般来说，近场探针不附带校准数据，主要用于进行相对测量。

图7。将氢场探头与电流流对齐，使磁力线通过环路。

图8。将一个电场探头垂直于导体位置以观察电场。

H场探针

氢场探针具有独特的环路设计，应使环路平面与电流流线对齐，使环路与磁力通量线相交。环的大小决定灵敏度以及测量区域，因此使用此类探头隔离能量源时需谨慎。近场探针套件通常包含多种尺寸，因此可以使用逐渐缩小的环径以缩小测量范围。氢场探头非常擅长识别具有较高电流的源，例如：

低阻抗节点与电路
输电线路
电源
终端线缆

电场探针

电场探头作为小型单极天线，响应电场或电压变化。使用此类探头时，保持探头垂直于测量平面非常重要。实际上，电场探头理想地用于锁定极小区域，识别电压较高的源以及无终端的源，例如：

高阻抗节点与电路
未终端的PCB走线
电缆

在低频下，系统中的电路节点阻抗可能变化很大，因此需要对电路的了解或实验，才能判断H场探头还是电场探头哪种灵敏度最高。在高频下，这些差异非常显著。无论哪种情况，重复进行相对测量都很重要，这样你才能确信任何变化带来的近场发射结果都能准确呈现。最重要的是在每次实验变化中，近场探头的位置和方向保持一致。

图9。MDO4000系列示波器提供了振荡器启动时的时间相关视图。

混合域示波器结合了示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪的测量功能。MDO4000系列提供了独特的功能，可以同步查看模拟信号特性、数字时序、总线事务和频谱。MDO3000还结合了示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪的功能，但无法同时获取或查看频谱和时域波形。

MDO4000系列将频谱分析仪、示波器和逻辑分析仪集成于一体，能够从这三种仪器中产生时间相关的测量数据。

案例研究：确定信号特征和重合性以确定信号源

本案例研究将展示收集证据以隔离EMI源的过程。对一个小型微控制器的EMI扫描显示，该信号似乎是以144 MHz为中心的宽带信号出现超限故障。

利用MDO4000的频谱分析仪（图10），我们首先将氢场探头连接到射频输入端，以便定位能量源。

图10。频谱分析仪显示放置在UUT附近的H场探头输出。

重要的是要将H场探针的方向定向，使环路平面与被评估导体对齐，从而使磁力线通过环路。通过移动 H 场证明绕着 PCB 移动，我们可以定位能量源。通过选择更窄的孔径探头，我们可以将搜索聚焦在更小的区域。

图11。测试设置将模拟示波器通道和频谱分析仪通道结合在混合域示波器上。

一旦确定了视能量源，我们就开启射频振幅与时间的轨迹（见图12）。该轨迹显示了跨内所有信号的积分功率与时间变化。我们清楚地看到一个大脉冲。通过记录长度的频谱时间，我们可以看到EMI事件（以140 MHz为中心的宽带信号）直接对应大脉冲。为了稳定测量，我们可以启用射频功率触发器，然后延长记录长度，从而确定射频脉冲发生的频率。为了测量脉冲重复周期，我们可以启用测量标记，直接确定周期。

图12。射频幅度与时间痕迹显示出显著脉冲。频谱显示显示其频率内容。