探頭和電流探頭進(jìn)行EMI干擾排查

簡介
在開發(fā)電子產(chǎn)品的過程中，電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）是工程師們不得不考慮的問題。電磁干擾（EMI）可能會導(dǎo)致許多問題，尤其是在產(chǎn)品開發(fā)階段或產(chǎn)品驗(yàn)收階段。如果電路設(shè)計(jì)受到電磁干擾的影響，可能會出現(xiàn)亂碼顯示，數(shù)據(jù)接觸不良或者是其他線路故障。為了限度地減少電磁干擾的影響，各個(gè)國家的政府機(jī)構(gòu)都制定并實(shí)施了針對各個(gè)產(chǎn)品類型的EM輸出的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，一般我們稱為電磁兼容性（EMC）測試。所有電子相關(guān)的產(chǎn)品在上市前必須強(qiáng)制性通過電磁兼容性測試。
許多EMC兼容測試失敗的原因主要來源于電路中的射頻能量泄漏和電路板設(shè)計(jì)本身的相互影響。引起這種干擾的電場和磁場肉眼是不可見的，并且當(dāng)我們想要深究其原因以期能小化EMI影響時(shí)，往往會發(fā)現(xiàn)，問題是非常復(fù)雜的。

是什么導(dǎo)致了這個(gè)問題？
造成輻射干擾的信號或能量來源在哪里？
我該如何解決？
 
好在，我們可以通過一些簡單的工具和技術(shù)來幫助識別EMI干擾源。一旦確定了干擾源，我們就可以開始著手解決問題。那么怎么去找出干擾源呢？我們需要用到一種技術(shù)，這種技術(shù)不是嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)EMC兼容測試，而是一種預(yù)測試，它可以幫助我們快速找到干擾源可能存在的地方，并且不需要昂貴的專業(yè)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室裝置。
在本篇應(yīng)用指南中，我們將介紹一些常用的預(yù)兼容測試相關(guān)的技術(shù)，例如使用近場探頭和電流探頭來查找可能的EMI泄漏源。此項(xiàng)技術(shù)可以快速地識別問題，有效地節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。此外，通過一些小小的家具，就可以創(chuàng)建出可重復(fù)的測試站來關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以在你下一款產(chǎn)品進(jìn)行EMC測試時(shí)提供很有價(jià)值的參考。
 
需要注意的是，預(yù)一致性測試旨在于幫助識別和解決可能會阻礙EMC認(rèn)證的問題，并不能*替代認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的EMC合規(guī)測試。

2、電磁輻射基礎(chǔ)知識

電磁輻射常見的產(chǎn)生方式是導(dǎo)體中電流的突變或者電壓的驟升，輻射的路徑通過PCB走線，器件的引腳，連接器或者是其它的金屬介質(zhì)，包括機(jī)箱，機(jī)架或者是產(chǎn)品的外殼。電磁輻射實(shí)際上是指電場和磁場的相互作用，相互影響。它常常被這樣描述：正交時(shí)變的電場和磁場的傳播，如下圖1 所示。

圖1 圖左上角是電磁波的傳播，注意，電場和磁場是互相正交的

圖2  由電流產(chǎn)生的磁場

和磁場不一樣，電場由移動或者靜止的電荷產(chǎn)生。因此，當(dāng)在散熱片或金屬外殼等諸如此類導(dǎo)電體的表面上產(chǎn)生電磁輻射時(shí)，電場產(chǎn)生的輻射會居于主導(dǎo)地位。電場產(chǎn)生的影響也傾向于遠(yuǎn)離源（遠(yuǎn)場）。某些環(huán)境因素如無線電臺，wifi或者是人為的射頻干擾信號，都使得遠(yuǎn)場測量更容易出現(xiàn)錯誤。遠(yuǎn)場測量，比如說某個(gè)兼容測試中的信號發(fā)射部分的測量，要求測量者擁有比進(jìn)行近場測量更復(fù)雜的設(shè)備和更豐富的知識。
 
通過測量由導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場的幅值和頻率，我們可以找出可能導(dǎo)致EMI干擾問題的區(qū)域。

3、設(shè)備清單

以下是一些用于近場故障排除的基礎(chǔ)設(shè)備清單：
頻譜儀/EMI接收機(jī)： 測量相對于頻率的RF功率。頻譜儀的輸入頻率應(yīng)該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。

圖3 鼎陽的輸出頻率為2.1GHz的頻譜儀SSA3021X

近場探頭：購買或者手工自制。分為磁場近場探頭和電場近場探頭。
電流探頭：購買或自制。
50歐姆同軸線纜：使用與近場探頭和頻譜分析儀RF輸入口相匹配的線纜。如果需要的話，探頭，同軸線纜，連接器可以同時(shí)配套購買。
探頭：因?yàn)槿祟惖娜庋蹮o法直接看到電磁波，所以我們需要借助一些工具輔助測量。回想一下我們剛剛提到的，導(dǎo)體中的移動電荷產(chǎn)生輻射到整個(gè)空間的電磁場。我們可以通過測量電磁場功率值來衡量電路中的感應(yīng)電壓，從而間接地測量出源電場的強(qiáng)度。在EMI故障排除的過程中，常用到的兩種探頭是近場探頭和電流鉗。
近場探頭和電流鉗具有類似的原理。 流過探針的“環(huán)路”區(qū)域的磁場會產(chǎn)生可測量的電壓（圖4）。環(huán)形區(qū)域越大，磁通量就越大，因此更適合尋找一些小信號。但是小的環(huán)形區(qū)域提供更好的空間分辨率（從而可以更地找到問題點(diǎn)）。許多測試工具中的探頭都有多種環(huán)尺寸（見圖5），從而幫助用戶更好地實(shí)現(xiàn)靈敏度和空間分辨率之間的平衡。
 
電場探頭通常不會有一個(gè)環(huán)形的區(qū)域。用他們獲得電場信息的方法更像是單極天線。與磁場探頭一樣，電場探針旋轉(zhuǎn)與否不影響測量結(jié)果，但與信號源的距離是非常重要的影響因素。
 
以下是探頭的使用指南：
關(guān)閉被測設(shè)備，觀察頻譜儀的測量值，測出本底輻射。注意，任何可能由環(huán)境或者本底輻射引起的的射頻干擾都要關(guān)注。如果在屏蔽良好的實(shí)驗(yàn)室中，這個(gè)問題可能不是很大，但在普通的實(shí)驗(yàn)室中，一定要提前測得環(huán)境中存在的本底干擾。
探頭的擺放，通信端口終端，以及機(jī)器外殼的接縫、通風(fēng)口等，這些都是在測試中容易出現(xiàn)問題的地方。
電場或磁場的探頭離信號源近一點(diǎn)會測得幅值。
磁場探頭放置的方向垂直于磁場會比平行于磁場測得更高的數(shù)據(jù)。
因?yàn)樵谥貜?fù)的實(shí)驗(yàn)中探頭的位置是比較重要的，因此把一個(gè)不導(dǎo)電的夾具（如木頭，塑料）固定在被測設(shè)備上，那么探頭就可以使用了。記住，探頭的位置和放置方向是十分重要的，一點(diǎn)點(diǎn)的位置偏差或者一點(diǎn)點(diǎn)的角度偏差都會在對被測設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)引起很大的誤差。

圖4 磁場探頭的擺放和角度影響被測設(shè)備測得幅值

圖5 一組具備不同空間分辨率的近場探頭

圖6 使用近場探頭對PCB板進(jìn)行輻射測量

電子設(shè)備中的線纜和連接器都需要被屏蔽并且接地正確，因?yàn)樗鼈兪呛芎玫奶炀€，導(dǎo)體外部的微小的電流變化就很容易造成探測到的輻射量超過電磁兼容測試設(shè)定的限值。電流鉗和頻譜儀配合使用可以了解到線纜和連接器產(chǎn)生電磁輻射的原因。
電流鉗和近場探頭的原理類似我們可以直接從商家購買或把線圈纏在鐵夾和BNC連接器上自己制作（如圖7所示）。把電流鉗靠近待測的線纜，同時(shí)把它連接到頻譜儀的輸入端口，把頻譜儀的頻率調(diào)到設(shè)定的范圍。

圖7 一個(gè)手工制作的電流鉗

以下是探頭的一些使用指南：
如果不能確定輸入信號的大小，可以在測量之前給頻譜儀的RF輸入端加一個(gè)外置的衰減器。電源線或者其它高功率的應(yīng)用可能會影響頻譜儀RF輸入端口的靈敏度。
測量所有可能和被測設(shè)備連接的線纜。包括電源線，USB線，網(wǎng)線等。（如圖8）

圖8 測量一個(gè)連接到示波器的USB線的射頻干擾

電流鉗，尤其是手工自制的，對環(huán)境中的RF信號特別敏感，這可能使得你測到的信號是不準(zhǔn)確或者是錯誤的。先連接所有的電纜，探頭等，然后通過關(guān)閉被測設(shè)備來測得環(huán)境中的RF信號，然后把這個(gè)本底數(shù)據(jù)和打開被測設(shè)備時(shí)所測得的數(shù)據(jù)相比較，從而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這對于循環(huán)多次測試不斷變化的環(huán)境中的被測設(shè)備的RF信號來說也是一個(gè)好辦法。

圖9 由電流鉗測得的環(huán)境中的RF信號軌跡（黃色）；以及打開DUT時(shí)

的信號軌跡（紫色）
如果你的RF測量實(shí)驗(yàn)失敗了，那么從出現(xiàn)錯誤的頻率以及產(chǎn)生這些頻率的基波開始著手尋找問題。

4、檢查和評價(jià)

在使用探頭檢測到的信號干擾可能并不是真實(shí)的干擾數(shù)據(jù)，但是通過觀察分析測量結(jié)果，對比被測設(shè)備的前后狀態(tài)等方法，用戶可以更快的進(jìn)行故障排除。
以下是一些可參的實(shí)驗(yàn)技巧，可以幫助我們觀察更多實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)：
大多數(shù)的頻譜儀不具有預(yù)選器。如果你是用一個(gè)不配備預(yù)選器的頻譜儀，你觀察到的峰值可能不是真實(shí)的。由于帶外信號和待測信號混合在一起，沒有預(yù)選器的頻譜儀很可能會觀測到一個(gè)假峰。
你需要通過外加一個(gè)衰減器（可以3dB或者10dB）測試一下這個(gè)峰值的有效性，真實(shí)的峰值會隨著衰減量下降。如果峰值下降的量大于外加衰減的量，那么這個(gè)峰值很可能是一個(gè)假峰。把這個(gè)假峰標(biāo)注出來和兼容測試中得到的結(jié)果進(jìn)行對比。你也可以使用預(yù)選器或者EMI接收器，但是這些配件對于大多數(shù)快速測試來說是成本高昂的。
圖10 是一個(gè)典型的峰值測試實(shí)驗(yàn)，黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的，這種情況下，峰值下降的量和所添加的衰減量是一致的。這有助于確認(rèn)該峰值是真峰而不是帶外信號的產(chǎn)物。

圖10 使用頻譜儀的標(biāo)記功能對兩次掃描結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個(gè)10 dB的衰減器得到的

 
一些具有軌跡類型保持功能的頻譜儀將會連續(xù)的保存每次頻率掃描的值，你可以把一個(gè)單軌作為“清除寫入”（你可以打開一條跡線為“清除寫入”狀態(tài)），來表現(xiàn)射頻信號，然后把另一條設(shè)置為保持。這使得你可以比較被測設(shè)備在壞的情況下的收集的數(shù)據(jù)的變化，并且使用保持功能“固定”它們。
可以使用標(biāo)記和峰值表功能去清楚的找出峰值頻率和幅值。

圖11 打開標(biāo)記功能和峰值表功能的頻譜儀SSA3000X的界面

5、結(jié)論

1.磁場由流動的電流產(chǎn)生。使用磁場近場探頭靠近導(dǎo)線或回路去甄別電磁輻射。
2.電場由流動的電流或者靜電荷產(chǎn)生。使用電場近場探頭在金屬平面（例如散熱器，機(jī)箱，顯示屏的邊界或者是機(jī)殼的縫隙等）去甄別電磁輻射。
3.使用電流鉗去甄別潛在的輻射和從線纜和連接器泄漏的諧振。
4.顯示屏，機(jī)殼的縫隙，帶狀線纜和通信端口及總線是可能導(dǎo)致輻射泄漏的地方。
5.用導(dǎo)電帶或鋁箔包裹住可能產(chǎn)生電磁泄漏的部分，并確認(rèn)包裹是接地的，再次掃描被包住的地方的EMI干擾是否減輕了。
6.連接不良的電纜和連接器也會導(dǎo)致輻射問題。
7.通過給被測器件斷電并觀察頻譜儀上的輸出，可以多次測量環(huán)境對實(shí)驗(yàn)的影響。在測量中要標(biāo)注出任何的變化以及它們所帶來的潛在的影響。
通過一些簡單的設(shè)備，你可以在室內(nèi)進(jìn)行預(yù)兼容測試， 這會大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，以及減少下一代產(chǎn)品研發(fā)過程中的反復(fù)測量次數(shù)。