EMI-Fehlerbehebung, Schritt-für-Schritt

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EMI-Fehlerbehebung Schritt für Schritt

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier häufigsten EMI-Probleme zu beheben.

EMI-Fehlerbehebung, Schritt-für-Schritt

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir normalerweise unternehmen, um die vier wichtigsten EMI-Probleme zu beheben: leitungsgebundene Emissionen, abgestrahlte Emissionen, abgestrahlte Immunität und elektrostatische Entladung.

„Artikel ursprünglich veröffentlicht in Interference Technology (https://interferencetechnology.com/emi-troubleshooting-step-step/) von Kenneth Wyatt“

In diesem Artikel beschreiben wir die Schritte, die wir üblicherweise zur Behebung der vier häufigsten EMI-Probleme unternehmen: leitungsgebundene Emissionen, abgestrahlte Emissionen, abgestrahlte Immunität und elektrostatische Entladung. Die letzten drei sind die häufigsten Probleme, wobei abgestrahlte Emissionen typischerweise den Hauptfehler darstellen. Wenn Ihr Produkt oder System (EUT) über eine ausreichende Strom- und E/A-Port-Filterung verfügt, stellen leitungsgebundene Emissionen und die anderen stromleitungsbezogenen Immunitätstests in der Regel kein Problem dar.

Zu Ihrer Information haben wir eine Liste mit empfohlenen Geräten zusammengestellt, die zur Fehlerbehebung bei elektromagnetischen Störungen hilfreich sind. Der Download-Link ist in Referenz 1 aufgeführt.

Leitungsgebundene Emissionen

Bei ausreichender Netzfilterung ist dies normalerweise kein Problem. Viele Billignetzteile verfügen jedoch nicht über eine gute Filterung. Manche No-Name-Marken haben überhaupt keine Filterung! Der leitungsgebundene 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. Passen Sie den Referenzpegel so an, dass die höchsten Harmonischen angezeigt werden und die vertikale Skala in gleichmäßigen 10-dB-Schritten anzeigt
  5. Verwenden Sie zunächst die Durchschnittserkennung und später die CISPR-Erkennung für alle Spitzen
  6. Interne Dämpfung – beginnen Sie zunächst mit 20 bis 30 dB und passen Sie diese für eine optimale Anzeige und keine Überlastung des Analysators an.
  7. Stellen Sie die vertikalen Einheiten auf dBμV ein

Wir möchten auch die horizontale Skala von linear auf logarithmisch einstellen, damit die Frequenzen leichter abzulesen sind.

Besorgen Sie sich ein Leitungsimpedanzstabilisierungsnetzwerk (LISN) und positionieren Sie es zwischen dem zu testenden Produkt oder System und dem Spektrumanalysator. Beachten Sie die unten stehende Anschlussreihenfolge!

VORSICHT : Es ist oft wichtig, das Prüfobjekt einzuschalten, bevor die LISN an den Analysator angeschlossen wird. Dies liegt daran, dass beim Einschalten große Transienten auftreten können, die die empfindliche Eingangsstufe des Analysators zerstören können. Beachten Sie, dass die TekBox-LISN über einen integrierten Transientenschutz verfügt. Nicht alle haben diesen Schutz … Sie sind gewarnt!

Schalten Sie das Prüfobjekt ein und verbinden Sie den 50-Ohm-Ausgang der LISN mit dem Analysator. Beachten Sie, dass die Oberwellen bei niedrigen Frequenzen in der Regel sehr hoch sind und gegen 30 MHz abnehmen. Stellen Sie sicher, dass diese höheren Oberwellen den Analysator nicht übersteuern. Fügen Sie bei Bedarf zusätzliche interne Dämpfung hinzu.

Durch Vergleichen der durchschnittlichen erkannten Spitzen mit den entsprechenden CISPR-Grenzwerten können Sie vor der formellen Konformitätsprüfung feststellen, ob das EUT den Test besteht oder nicht.

Umgebungssender

Ein Problem, auf das Sie bei Tests außerhalb eines abgeschirmten Raums oder einer halbschalltoten Kammer sofort stoßen, ist die Anzahl der Umgebungssignale von Quellen wie UKW- und Fernsehsendern, Mobiltelefonen und Funkgeräten. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Strommesszangen oder externen Antennen ein Problem. Normalerweise erstellen wir im „Max Hold“-Modus ein Basisliniendiagramm auf dem Analysator, um ein zusammengesetztes Umgebungsdiagramm zu erstellen. Anschließend aktivieren wir zusätzliche Kurven für die eigentlichen Messungen. Beispielsweise werden oft drei Diagramme oder Kurven auf dem Bildschirm angezeigt: die Umgebungsbasislinie, das „Vorher“-Diagramm und das „Nachher“-Diagramm mit einigen angewendeten Korrekturen.

Oft ist es einfacher, den Frequenzbereich des Spektrumanalysators auf eine bestimmte Harmonische einzugrenzen und so die meisten Umgebungssignale zu eliminieren. Handelt es sich bei der Harmonischen um eine Schmalband-Dauerstrichwelle (CW), kann eine Reduzierung der Auflösungsbandbreite (RBW) ebenfalls dazu beitragen, die Harmonischen des Prüflings von nahegelegenen Umgebungssignalen zu trennen. Achten Sie jedoch darauf, dass die Reduzierung der RBW nicht gleichzeitig die Amplitude der Harmonischen verringert.

Ein weiterer Vorsichtshinweis besteht darin, dass starke Sender in der Nähe die Amplitudengenauigkeit der gemessenen Signale beeinträchtigen und Mischprodukte erzeugen können, die wie Oberschwingungen aussehen, in Wirklichkeit aber Kombinationen aus der Senderfrequenz und der Mischschaltung im Analysator sind. Um den Einfluss des externen Senders zu reduzieren, müssen Sie möglicherweise einen externen Bandpassfilter bei der gewünschten Oberschwingungsfrequenz verwenden. Obwohl teurer, ist ein EMI-Empfänger mit abgestimmter Vorselektion in Umgebungen mit hoher HF-Spannung nützlicher als ein normaler Spektrumanalysator. Keysight Technologies und Rohde & Schwarz sind als Anbieter zu empfehlen. Alle diese Techniken werden in Referenz 3 ausführlicher beschrieben.

Strahlungsemissionen

Dies ist normalerweise der Test mit dem höchsten Risiko. Richten Sie Ihren Spektrumanalysator wie folgt ein:

  1. Frequenz 10 bis 500 MHz
  2. Auflösungsbandbreite = 100 oder 120 kHz
  3. Vorverstärker = Ein (oder verwenden Sie einen externen 20-dB-Vorverstärker, wenn der Analysator diesen nicht hat)
  4. Passen Sie den Referenzpegel so an, dass die höchsten Harmonischen angezeigt werden und die vertikale Skala in gleichmäßigen 10-dB-Schritten anzeigt
  5. Verwenden Sie die positive Spitzenerkennung
  6. Stellen Sie die interne Dämpfung = Null ein

Manchmal stelle ich die vertikalen Einheiten lieber von der Standardeinstellung dBm auf dBμV um, damit die angezeigten Zahlen positiv sind. Dies ist auch die gleiche Einheit, die in den Testgrenzen der Standards verwendet wird. Ich stelle auch gerne die horizontale Skala von linear auf logarithmisch um, damit die Frequenzen leichter abzulesen sind.

Ich führe meinen ersten Scan bis 500 MHz durch, da dies üblicherweise das ungünstigste Band für digitale Harmonische ist. Sie sollten auch die Emissionen mindestens bis 1 GHz (oder höher) aufzeichnen, um andere dominante Emissionen zu charakterisieren. Im Allgemeinen reduziert die Auflösung der niederfrequenten Harmonischen auch die höheren Harmonischen.

Nahfeldsondierung

Die meisten Nahfeldsonden-Kits enthalten sowohl E-Feld- als auch H-Feldsonden. Die Wahl zwischen H-Feld- oder E-Feldsonden hängt davon ab, ob Sie Ströme (d. h. hohe di/dt-Werte) (Leiterbahnen, Kabel usw.) oder hohe Spannungen (d. h. elektromagnetische Störungen, dV/dt-Werte) (Schaltnetzteile usw.) messen möchten. Beide eignen sich zum Auffinden undichter Nähte oder Lücken in abgeschirmten Gehäusen.

Beginnen Sie mit der größeren H-Feldsonde (Abbildung 1) und untersuchen Sie das Gehäuse, die Leiterplatte(n) und die angeschlossenen Kabel. Ziel ist es, die Hauptrauschquellen sowie bestimmte Schmal- und Breitbandfrequenzen zu identifizieren. Dokumentieren Sie die beobachteten Standorte und dominanten Frequenzen. Wenn Sie die Quellen genauer bestimmen, können Sie auf H-Feldsonden mit kleinerem Durchmesser umsteigen, die eine höhere Auflösung (aber geringere Empfindlichkeit) bieten.

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

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

Bedenken Sie, dass nicht alle Hochfrequenzquellen auf der Platine tatsächlich Strahlung abgeben! Strahlung erfordert eine Art Kopplung an eine antennenartige Struktur, z. B. ein E/A-Kabel, ein Stromkabel oder eine Naht im abgeschirmten Gehäuse.

Vergleichen Sie die harmonischen Frequenzen mit bekannten Taktoszillatoren oder anderen Hochfrequenzquellen. Hilfreich ist der von meinem Co-Autor Patrick André entwickelte Clock Oscillator Calculator. Den Download-Link finden Sie in Referenz 2.

Wenn Sie mögliche Korrekturen auf Platinenebene vornehmen, kleben Sie die Nahfeldsonde unbedingt fest, um die Abweichungen bei der physischen Position der Sondenspitze zu reduzieren. Denken Sie daran, dass wir bei der Anwendung von Korrekturen hauptsächlich an relativen Änderungen interessiert sind.

H-Feldsonden sind außerdem am empfindlichsten (koppeln den stärksten magnetischen Fluss), wenn ihre Ebene parallel zur Leiterbahn oder zum Kabel ausgerichtet ist. Es empfiehlt sich außerdem, die Sonde im 90-Grad-Winkel zur Ebene der Leiterplatte zu positionieren. Siehe Abbildung 2.

Strommesszange Messen Sie anschließend die angeschlossenen Gleichtaktkabelströme (einschließlich Stromkabel) mit einer Hochfrequenz-Strommesszange, z. B. dem Modell F-33-1 von Fischer Custom Communications oder einem gleichwertigen Gerät (Abbildung 3). Dokumentieren Sie die Positionen der obersten Harmonischen und vergleichen Sie diese mit der durch Nahfeldmessung ermittelten Liste. Diese strahlen am wahrscheinlichsten ab und verursachen Testfehler, da sie über antennenartige Strukturen (Kabel) fließen. Verwenden Sie die vom Hersteller bereitgestellte Kalibrierungstabelle der Übertragungsimpedanz, um den tatsächlichen Strom bei einer bestimmten Frequenz zu berechnen. Beachten Sie, dass bereits 5 bis 8 μA Hochfrequenzstrom ausreichen, um die Testgrenzwerte von FCC oder CISPR zu überschreiten.

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Abbildung 3. Verwendung einer Stromsonde zum Messen hochfrequenter Ströme, die auf E/A- und Stromkabeln fließen.

Es empfiehlt sich, die Stromsonde hin und her zu schieben, um die Harmonischen zu maximieren. Dies liegt daran, dass einige Frequenzen aufgrund stehender Wellen auf dem Kabel an verschiedenen Stellen Resonanz erzeugen.

Es ist auch möglich, das abgestrahlte E-Feld (V/m) anhand des in einem Draht oder Kabel fließenden Stroms vorherzusagen, vorausgesetzt, die Länge ist bei der betreffenden Frequenz elektrisch kurz. Dies hat sich für 1 m lange Kabel bei bis zu 200 MHz als genau erwiesen. Weitere Informationen finden Sie in Referenz 3.

Hinweis zur Verwendung externer Antennen

Beachten Sie, dass bei der Verwendung externer EMI-Antennen zwei unterschiedliche Ziele verfolgt werden.

  1. Relative Fehlersuche: Hier werden Bereiche mit fehlerhaften Frequenzen erkannt und deren Amplituden reduziert. Eine kalibrierte Antenne ist nicht erforderlich, da nur relative Änderungen relevant sind. Wichtig ist, dass der Oberwellengehalt des Prüflings gut sichtbar ist.
  2. Vorab-Konformitätstests: Sie möchten den Testaufbau des Konformitätstestlabors duplizieren. Das bedeutet, dass Sie eine kalibrierte Antenne in einem Abstand von 3 m oder 10 m zum zu testenden Produkt oder System aufstellen und im Voraus feststellen, ob Sie den Test bestehen oder nicht.
Vorab-Konformitätsprüfung für Strahlungsemissionen

Wenn Sie einen Vorab-Konformitätstest durchführen möchten (siehe Punkt 2 oben), können Sie bei einer kalibrierten EMI-Antenne in einem Abstand von 3 m oder 10 m zum Prüfling das E-Feld (dBμV/m) berechnen, indem Sie den dBμV-Wert des Spektrumanalysators aufzeichnen und den Koaxialverlust, die externe Vorverstärkerverstärkung (falls verwendet), einen externen Dämpfer (falls verwendet) und den Antennenfaktor (aus der vom Hersteller bereitgestellten Antennenkalibrierung) berücksichtigen. Diese Berechnung kann dann direkt mit den Testgrenzwerten für abgestrahlte Emissionen in einem Abstand von 3 m oder 10 m verglichen werden. Verwenden Sie dazu die folgende Formel:

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

In diesem Artikel konzentriere ich mich hauptsächlich auf die Fehlersuche mit einer Antenne mit geringem Abstand (siehe Nr. 1 oben), um die tatsächlich abgestrahlten Oberwellenpegel allgemein zu charakterisieren und mögliche Lösungen zu testen. Wenn Sie beispielsweise wissen, dass Sie bei einer Oberwellenfrequenz den Grenzwert um 3 dB überschreiten, sollten Sie diese Emission um 6 bis 10 dB reduzieren, um einen ausreichenden Spielraum zu haben.

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Abbildung 4. Ein typischer Testaufbau zur Messung der tatsächlichen Strahlungsemissionen bei gleichzeitiger Fehlersuche.

Fehlerbehebung bei einer Antenne mit geringem Abstand

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

Versuchen Sie festzustellen, ob Kabelstrahlung das Hauptproblem darstellt, indem Sie die Kabel einzeln entfernen. Sie können auch versuchen, testweise eine Ferritdrossel an einem oder mehreren Kabeln anzubringen. 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 problematischen Emissionen zu mindern. Versuchen Sie, den Kopplungspfad vom Produktinneren zu den externen Kabeln zu ermitteln. In manchen Fällen muss die Leiterplatte neu gestaltet werden, indem der Lagenaufbau optimiert oder Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen, die Lücken in Rücklaufebenen kreuzen, etc., entfernt werden. Durch die Echtzeitbeobachtung der Ergebnisse mit einer entfernt aufgestellten Antenne sollte die Minderungsphase schnell verlaufen.

Häufige Probleme

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

  1. Schlechte Kabelschirmabschlüsse sind das Hauptproblem
  2. Undichte Produktabschirmung
  3. Interne Kabelverbindung zu Nähten oder E/A-Bereichen
  4. Hochgeschwindigkeitsspuren, die Lücken in der Rücklaufebene überqueren
  5. Suboptimaler Lagenaufbau

Weitere Einzelheiten zu Problemen beim System- und PC-Board-Design, die zu Emissionsfehlern führen können, finden Sie in den Referenzen.

Strahlungsimmunität

Die meisten Tests zur Störfestigkeit gegen Strahlung werden im Frequenzbereich von 80 bis 1000 MHz (in manchen Fällen bis zu 2,7 GHz) durchgeführt. Gängige Testwerte sind 3 oder 10 V/m. Militärprodukte können je nach Betriebsumgebung Werte von 50 bis 200 V/m erreichen. Der kommerzielle Standard für die meisten Produkte ist IEC 61000-4-3, dessen Testaufbau recht komplex ist. Mit einigen einfachen Techniken lassen sich die meisten Probleme jedoch schnell erkennen und beheben.

Handfunkgerät Zur Prüfung der Strahlungsimmunität beginnen wir in der Regel außerhalb des Prüflings und verwenden lizenzfreie Handsender wie Walkie-Talkies (oder gleichwertige Geräte) des Family Radio Service (FRS), um Schwachstellen zu ermitteln. Indem Sie diese Funkgeräte mit geringer Leistung nahe an das zu prüfende Produkt oder System halten, können Sie häufig einen Fehler erzwingen (Abbildung 5).

Halten Sie die Sendetaste gedrückt und führen Sie die Funkantenne rund um das Prüfobjekt. Dies sollte alle Kabel, Nähte, Display-Anschlüsse usw. umfassen.

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Abbildung 5. Verwenden eines lizenzfreien Senders zum Erzwingen eines Fehlers.

HF-Generator

Es kommt häufig vor, dass nur bestimmte Frequenzbänder anfällig sind und Handfunkgeräte mit fester Frequenz manchmal nicht effektiv sind. In diesem Fall verwende ich einen einstellbaren HF-Generator mit angeschlossener großer H-Feldsonde und prüfe alle Bereiche bei bekannten Schwachstellen. Es ist auch hilfreich, die internen Kabel und die Leiterplatte zu prüfen, um empfindliche Bereiche zu ermitteln. Bei kleineren Produkten, wie in Abbildung 6, sollten Sie die kleineren H-Feldsonden verwenden, um die beste physikalische Auflösung zu erzielen.

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Abbildung 6. Verwendung eines HF-Generators und einer H-Feldsonde zur Bestimmung empfindlicher Bereiche.

Anstelle der größeren HF-Generatoren in Laborqualität verwende ich auch einen kleineren USB-gesteuerten HF-Synthesizer, wie den Windfreak SynthNV (oder ein gleichwertiges Gerät) mit Nahfeldsonde. Der SynthNV kann bis zu +19 dBm HF-Leistung von 34 MHz bis 4,4 GHz erzeugen und funktioniert daher gut. Er passt auch gut in mein EMI-Fehlersuchset. Siehe Abbildung 7. Eine Liste empfohlener Generatoren finden Sie in Referenz 1.

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Abbildung 7. Verwendung eines kleinen synthetisierten HF-Generators zur Erzeugung intensiver HF-Felder um die Sondenspitze

Elektrostatische Entladung

Die Prüfung auf elektrostatische Entladung erfolgt am besten mit einem Prüfaufbau gemäß der Norm IEC 61000-4-2. Dazu werden ein Prüftisch und Masseflächen bestimmter Abmessungen benötigt. Der Prüfling wird in die Mitte des Prüftisches gestellt. Ich empfehle üblicherweise, Bodenfliesen durch Kupfer- oder Aluminiumplatten im Format 4 x 8 Fuß zu ersetzen, die genau in die Zwischenräume der vorhandenen Fliesen passen (Abbildung 8). Für die Prüfung wird ein ESD-Simulator benötigt, der von verschiedenen Anbietern erhältlich 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) Designs.

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Abbildung 8. Der ESD-Testaufbau gemäß IEC 6100-4-2. Bild mit freundlicher Genehmigung von Keith Armstrong.

ESD-Tests sind hinsichtlich der Identifizierung der Testpunkte recht komplex. Grundsätzlich gibt es jedoch zwei Tests: Luftentladung und Kontaktentladung. Verwenden Sie Luftentladung an allen Stellen, an denen ein Bediener die Außenseite des Prüflings berühren könnte. Verwenden Sie Kontaktentladung an allen freiliegenden Metallstellen, die ein Bediener berühren und in die eine Entladung erfolgen könnte. Testen Sie sowohl positive als auch negative Polaritäten. Die meisten kommerziellen Tests erfordern 4 kV Kontaktentladung und 8 kV Luftentladung.

Der Prüfaufbau umfasst auch horizontale und vertikale Kopplungsebenen. Die Kontaktentladungsspitze wird in die Kopplungsebenen eingeführt. Diese Ebenen benötigen einen hochohmigen Entladungspfad zur Erde. Details und genaue Prüfverfahren finden Sie in der IEC-Norm.

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

Zusammenfassung

Durch die Einrichtung Ihres eigenen EMI-Fehlerbehebungs- und Pre-Compliance-Testlabors sparen Sie Zeit und Geld, indem Sie den Fehlerbehebungsprozess intern durchführen, anstatt Zeit und die damit verbundenen Kosten sowie Terminverzögerungen durch die Abhängigkeit von kommerziellen Testlabors einzuplanen.

Die meisten EMI-Tests mit hohem Risiko lassen sich problemlos mit kostengünstiger Ausrüstung durchführen. Die Kosteneinsparungen durch die Fehlersuche in Ihrem eigenen Betrieb können Hunderttausende von Dollar betragen und zu wochen- oder monatelangen Produktverzögerungen führen.

Verweise

Empfohlene Liste von Geräten zur EMI-Fehlerbehebung – 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-Fehlerbehebungs-Kochbuch für Produktdesigner, SciTech, 2014.
  3. Joffe und Lock, Grounds For Grounding, Wiley, 2010
  4. Ott, Elektromagnetische Verträglichkeitstechnik, Wiley, 2009
  5. Mardiguian, EMI-Fehlerbehebungstechniken, McGraw-Hill, 2000
  6. Montrose, EMC leicht gemacht, Montrose Compliance Services, 2014
  7. Morrison, Erdung und Abschirmung – Schaltkreise und Störungen, Wiley, 2016
  8. Williams, EMC für Produktdesigner, Newnes, 2017

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