Solución de problemas de EMI, paso a paso

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solución de problemas de emi paso a paso

En este artículo, describiremos los pasos que normalmente seguimos para solucionar los cuatro problemas principales de EMI.

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Solución de problemas de EMI, paso a paso

En este artículo, describiremos los pasos que normalmente seguimos para solucionar los cuatro problemas principales de EMI; emisiones conducidas, emisiones radiadas, inmunidad radiada y descargas electrostáticas.

"Artículo publicado originalmente en Interference Technology (https://interferencetechnology.com/emi-troubleshooting-step-step/) por Kenneth Wyatt”

En este artículo, describiremos los pasos que solemos seguir para solucionar los cuatro problemas principales de EMI: emisiones conducidas, emisiones radiadas, inmunidad radiada y descarga electrostática. De estos, los tres últimos son los problemas más frecuentes, siendo las emisiones radiadas el principal fallo. Si su producto o sistema (EUT) tiene alimentación y filtrado de puertos de E/S adecuados, las emisiones conducidas y otras pruebas de inmunidad relacionadas con la línea eléctrica no suelen ser un problema.

Para su comodidad, hemos desarrollado una lista de equipos recomendados útiles para solucionar problemas de EMI. El enlace de descarga aparece en la Referencia 1.


Emisiones conducidas

Por lo general, esto no es un problema si se cuenta con un filtrado adecuado de la línea eléctrica; sin embargo, muchas fuentes de alimentación de bajo costo carecen de un buen filtrado. ¡Algunas marcas “sin nombre” no tienen ningún filtro! La prueba de emisiones realizada es fácil de ejecutar, así que aquí la tiene.

Configure su analizador de espectro de la siguiente manera:

  1. Frecuencia 150 kHz a 30 MHz
  2. Ancho de banda de resolución = 10 o 9 kHz
  3. Preamplificador = Apagado
  4. Ajuste el nivel de referencia para que se muestren los armónicos más altos y la escala vertical lea incluso en incrementos de 10 dB.
  5. Utilice la detección promedio inicialmente y la detección CISPR en cualquier pico posterior
  6. Atenuación interna: comience con 20 a 30 dB al principio y ajuste para obtener la mejor visualización y no sobrecargar el analizador.
  7. Establezca las unidades verticales en dBμV

También nos gusta establecer la escala horizontal de lineal a logarítmica, para que las frecuencias sean más fáciles de leer.

Obtenga una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) y colóquela entre el producto o sistema bajo prueba y el analizador de espectro. ¡Tenga en cuenta la secuencia de conexión a continuación!

PRECAUCIÓN : A menudo es importante encender el EUT antes de conectar el LISN al analizador. Esto se debe a que pueden ocurrir grandes transitorios durante el encendido y potencialmente destruir la etapa de entrada sensible del analizador. Tenga en cuenta que TekBox LISN tiene protección transitoria incorporada. No todos lo hacen... ¡estás advertido!

Encienda el EUT y luego conecte el puerto de salida de 50 ohmios del LISN al analizador. Tenga en cuenta que los armónicos suelen ser muy altos en las frecuencias más bajas y disminuyen hacia los 30 MHz. Asegúrese de que estos armónicos más altos no sobrecarguen el analizador. Agregue atenuación interna adicional, si es necesario.

Al comparar los picos promedio detectados con los límites CISPR apropiados, podrá saber si el EUT pasa o no antes de realizar las pruebas de cumplimiento formales.


Transmisores ambientales

Un problema con el que se encontrará inmediatamente al realizar pruebas fuera de una habitación blindada o una cámara semianecoica es la cantidad de señales ambientales provenientes de fuentes como transmisores de transmisión de FM y TV, teléfonos celulares y radios de dos vías. Esto es especialmente un problema cuando se utilizan sondas de corriente o antenas externas. Por lo general, ejecutamos un gráfico de referencia en el analizador usando el modo "Max Hold" para construir un gráfico ambiental compuesto. Luego, activaremos trazas adicionales para las mediciones reales. Por ejemplo, muchas veces tenemos tres tramas o trazas en pantalla; la línea de base ambiental, la trama "antes" y la trama "después" con alguna corrección aplicada.

A menudo, es más fácil reducir el rango de frecuencia en el analizador de espectro a cero en un armónico particular, eliminando así la mayoría de las señales ambientales. Si el armónico es una onda continua (CW) de banda estrecha, reducir el ancho de banda de resolución (RBW) también puede ayudar a separar los armónicos del EUT de los ambientes cercanos. Solo asegúrese de que reducir el RBW no reduzca también la amplitud armónica.

Otra precaución es que los transmisores fuertes cercanos pueden afectar la precisión de la amplitud de las señales medidas, así como crear productos de mezcla que parecen ser armónicos, pero que en realidad son combinaciones de la frecuencia del transmisor y el circuito mezclador en el analizador. Es posible que necesite utilizar un filtro de paso de banda externo a la frecuencia armónica deseada para reducir el efecto del transmisor externo. Aunque es más caro, un receptor EMI con preselección sintonizada sería más útil que un analizador de espectro normal en entornos de alta RF. Keysight Technologies y Rohde & Schwarz serían proveedores a considerar. Todas estas técnicas se describen con más detalle en la Referencia 3.


Emisiones radiadas

Esta es normalmente la prueba de mayor riesgo. Configure su analizador de espectro de la siguiente manera:

  1. Frecuencia 10 a 500 MHz
  2. Ancho de banda de resolución = 100 o 120 kHz
  3. Preamplificador = Encendido (o use un preamplificador externo de 20 dB si el analizador no lo tiene)
  4. Ajuste el nivel de referencia para que se muestren los armónicos más altos y la escala vertical lea incluso en incrementos de 10 dB.
  5. Utilice la detección de picos positivos
  6. Establecer la atenuación interna = cero

A veces prefiero configurar las unidades verticales del dBm predeterminado a dBμV, para que los números mostrados sean positivos. Esta es también la misma unidad utilizada en los límites de prueba de las normas. También me gusta establecer la escala horizontal de lineal a logarítmica, para que las frecuencias sean más fáciles de leer.

Realizo mi escaneo inicial hasta 500 MHz, porque esta suele ser la banda en el peor de los casos para armónicos digitales. También querrá registrar las emisiones de al menos hasta 1 GHz (o más) para caracterizar cualquier otra emisión dominante. En términos generales, resolver los armónicos de frecuencias más bajas también reducirá los armónicos más altos.


Sondeo de campo cercano

La mayoría de los kits de sondas de campo cercano vienen con sondas de campo E y de campo H. La decisión sobre sondas de campo H o de campo E depende de si va a sondear corrientes (es decir, di/dt altas) (trazas de circuitos, cables, etc.) o voltajes altos (es decir, EMI, dV/dt). fuentes de alimentación conmutadas, etc.) respectivamente. Ambos son útiles para localizar costuras o espacios con fugas en recintos blindados.

Comience con la sonda de campo H más grande (Figura 1) y husmee alrededor del gabinete del producto, las placas de circuito y los cables conectados. El objetivo es identificar las principales fuentes de ruido y frecuencias específicas de banda estrecha y banda ancha. Documente las ubicaciones y las frecuencias dominantes observadas. A medida que se concentra en las fuentes, es posible que desee cambiar a sondas de campo H de menor diámetro, que ofrecerán mayor resolución (pero menos sensibilidad).

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Figura 1. Se utiliza una sonda de campo cercano para ayudar a identificar fuentes potenciales de emisiones.

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Figura 2. Las sondas de campo H ofrecen la mejor sensibilidad cuando se orientan en relación con la traza del circuito o el cable, como se muestra. Figura, cortesía de Patrick André.

Recuerde que no todas las fuentes de energía de alta frecuencia ubicadas en el tablero irradiarán. La radiación requiere algún tipo de acoplamiento a una estructura "similar a una antena", como un cable de E/S, un cable de alimentación o una costura en el gabinete blindado.

Compare las frecuencias armónicas con osciladores de reloj conocidos u otras fuentes de alta frecuencia. Será útil utilizar la Calculadora del oscilador de reloj, desarrollada por mi coautor, Patrick André. Consulte el enlace de descarga en la Referencia 2.

Al aplicar posibles soluciones a nivel de la placa, asegúrese de fijar con cinta adhesiva la sonda de campo cercano para reducir la variación que experimentará en la ubicación física de la punta de la sonda. Recuerde, lo que más nos interesa son los cambios relativos a medida que aplicamos correcciones.

Además, las sondas de campo H son más sensibles (acoplarán la mayor cantidad de flujo magnético) cuando su plano está orientado en paralelo con la traza o el cable. También es mejor colocar la sonda a 90 grados con respecto al plano de la placa de PC. Ver Figura 2.

Sonda de corriente A continuación, mida las corrientes de los cables de modo común conectados (incluidos los cables de alimentación) con una sonda de corriente de alta frecuencia, como el modelo F-33-1 de Fischer Custom Communications o equivalente (Figura 3). Documente las ubicaciones de los principales armónicos y compárelas con la lista determinada mediante sondeo de campo cercano. Estos serán los más propensos a irradiar y causar fallas en las pruebas, porque fluyen a través de estructuras similares a antenas (cables). Utilice la tabla de calibración de impedancia de transferencia proporcionada por el fabricante para calcular la corriente real a una frecuencia particular. Tenga en cuenta que solo se necesitan de 5 a 8 μA de corriente de alta frecuencia para no superar los límites de prueba de la FCC o CISPR.

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Figura 3. Uso de una sonda de corriente para medir corrientes de alta frecuencia que fluyen en cables de E/S y de alimentación.

Es una buena idea deslizar la sonda de corriente hacia adelante y hacia atrás para maximizar los armónicos. Esto se debe a que algunas frecuencias resonarán en diferentes lugares debido a las ondas estacionarias en el cable.

También es posible predecir el campo E radiado (V/m) dada la corriente que fluye en un alambre o cable, asumiendo que la longitud es eléctricamente corta a la frecuencia en cuestión. Se ha demostrado que esto es preciso para cables de 1 m de largo y hasta 200 MHz. Consulte la Referencia 3 para obtener más detalles.


Nota sobre el uso de antenas externas

Tenga en cuenta que existen dos objetivos distintos al utilizar antenas EMI externas;

  1. Solución de problemas relativa, donde conoce áreas de frecuencias fallidas y necesita reducir sus amplitudes. No se requiere una antena calibrada, ya que sólo los cambios relativos son importantes. Lo importante es que el contenido armónico del EUT sea fácilmente visible.
  2. Pruebas previas al cumplimiento, en las que desea duplicar la configuración de la prueba tal como la utiliza el laboratorio de pruebas de cumplimiento. Es decir, configurar una antena calibrada a 3 o 10 m de distancia del producto o sistema bajo prueba y determinar de antemano si está aprobando o no.

Pruebas previas al cumplimiento de las emisiones radiadas

Si desea configurar una prueba de cumplimiento previo (n.º 2 anterior), con una antena EMI calibrada espaciada a 3 o 10 m del EUT, puede calcular el campo E (dBμV/m) registrando el Lectura de dBμV del analizador de espectro y factorización de la pérdida coaxial, la ganancia del preamplificador externo (si se usa), cualquier atenuador externo (si se usa) y el factor de antena (de la calibración de antena proporcionada por el fabricante). Luego, este cálculo se puede comparar directamente con los límites de prueba de emisiones radiadas de 3 o 10 m utilizando la fórmula:

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

Para los propósitos de este artículo, me centraré principalmente en el procedimiento para la resolución de problemas utilizando una antena de espacio cercano (#1 arriba) para la caracterización general de los niveles armónicos que realmente se radian y para probar posibles soluciones. Por ejemplo, saber que puede estar por encima del límite en 3 dB en alguna frecuencia armónica significa que su objetivo debe ser reducir esa emisión entre 6 y 10 dB para obtener un margen adecuado.

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Figura 4. Una configuración de prueba típica para medir las emisiones radiadas reales mientras se solucionan las causas.


Solución de problemas con una antena cercana

Una vez que el perfil armónico del producto está completamente caracterizado, es hora de ver qué armónicos realmente se irradian. Para hacer esto, utilizamos una antena espaciada al menos a 1 m del producto o sistema bajo prueba para medir las emisiones reales (Figura 4). Por lo general, se tratará de fugas en los cables de alimentación o de E/S conectados, así como en el gabinete blindado. Compare estos datos con los de las sondas de campo cercano y de corriente. ¿Puede ahora determinar la(s) fuente(s) probable(s) de las emisiones señaladas?

Intente determinar si la radiación del cable es el problema dominante quitando los cables uno por uno. También puede intentar instalar una bobina de ferrita en uno o más cables como prueba. Utilice las sondas de campo cercano para determinar si también se producen fugas en las uniones o aberturas del recinto blindado.

Una vez identificadas las fuentes de emisión, puede utilizar sus conocimientos sobre filtrado, conexión a tierra y blindaje para mitigar las emisiones problemáticas. Intente determinar la ruta de acoplamiento desde el interior del producto hasta los cables exteriores. En algunos casos, es posible que sea necesario rediseñar la placa de circuito optimizando la acumulación de capas o eliminando rastros de alta velocidad que cruzan espacios en los planos de retorno, etc. Al observar los resultados en tiempo real con una antena espaciada a cierta distancia, la mitigación La fase debería transcurrir rápidamente.


Problemas comunes

Hay varias áreas de diseño de productos que pueden causar emisiones radiadas:

  1. Las malas terminaciones del blindaje del cable son el principal problema
  2. Blindaje de producto con fugas
  3. Cables internos que se acoplan a costuras o áreas de E/S.
  4. Huellas de alta velocidad cruzando huecos en el plano de regreso
  5. Acumulación de capas subóptima

Consulte las referencias para obtener detalles adicionales sobre problemas de diseño del sistema y de la placa de PC que pueden causar fallas en las emisiones.


Inmunidad irradiada

La mayoría de las pruebas de inmunidad radiada se realizan entre 80 y 1000 MHz (o, en algunos casos, hasta 2,7 GHz). Los niveles de prueba comunes son 3 o 10 V/m. Los productos militares pueden alcanzar entre 50 y 200 V/m, dependiendo del entorno operativo. El estándar comercial para la mayoría de los productos es IEC 61000-4-3, cuya configuración de prueba es bastante complicada. Sin embargo, utilizando algunas técnicas sencillas, podrá identificar y resolver la mayoría de los problemas rápidamente.

Radio portátil Para la inmunidad radiada, generalmente comenzamos fuera del EUT y utilizamos transmisores portátiles sin licencia, como los walkie-talkies del Family Radio Service (FRS) (o equivalentes) para determinar las áreas débiles. Al sostener estas radios de baja potencia cerca del producto o sistema bajo prueba, a menudo se puede forzar una falla (Figura 5).

Mantenga presionado el botón de transmisión y pase la antena de radio por todo el EUT. Esto debe incluir todos los cables, uniones, puertos de pantalla, etc.

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Figura 5. Uso de un transmisor sin licencia para forzar una falla.


Generador de RF

Es muy común que sólo ciertas bandas de frecuencia sean susceptibles y, a veces, las radios portátiles de frecuencia fija no son efectivas. En ese caso, utilizo un generador de RF ajustable con una sonda de campo H de gran tamaño adjunta y una sonda alrededor a frecuencias de falla conocidas. También ayuda a sondear los cables internos y la placa de PC para determinar áreas de sensibilidad. Para productos más pequeños, como en la Figura 6, intente utilizar sondas de campo H más pequeñas para obtener la mejor resolución física.

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Figura 6. Uso de un generador de RF y una sonda de campo H para determinar áreas de sensibilidad.

En lugar de los generadores de RF más grandes con calidad de laboratorio, también utilizo un sintetizador de RF más pequeño controlado por USB, como el Windfreak SynthNV (o equivalente) con sonda de campo cercano. El SynthNV puede producir hasta +19 dBm de potencia de RF de 34 MHz a 4,4 GHz, por lo que funciona bien. Esto también encaja muy bien en mi kit de solución de problemas EMI. Consulte la Figura 7. Encontrará una lista de generadores recomendados en la Referencia 1.

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Figura 7. Uso de un pequeño generador de RF sintetizado para producir intensos campos de RF alrededor de la punta de la sonda


Descarga electrostática

La prueba de descarga electrostática se realiza mejor utilizando una configuración de prueba como se describe en la norma IEC 61000-4-2. Esto requiere una mesa de prueba y planos de tierra de determinadas dimensiones. El EUT se coloca en el medio de la mesa de prueba. Por lo general, sugiero reemplazar las losas del piso con láminas de cobre o aluminio de 4 x 8 pies, que encajarán perfectamente en los espacios de las losas existentes (Figura 8). Las pruebas requieren un simulador de ESD, que está disponible en varias fuentes. Consulte la Referencia 1. Utilizo el KeyTek MiniZap más antiguo, que es relativamente pequeño y se puede ajustar a +/- 15 kV. Hay varios otros diseños adecuados (y más nuevos).


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Figura 8. Configuración de prueba ESD según IEC 6100-4-2. Imagen cortesía de Keith Armstrong.

Las pruebas de ESD son bastante complejas en cuanto a identificar los puntos de prueba, pero básicamente hay dos pruebas: descarga de aire y descarga de contacto. Utilice descarga de aire en todos los puntos donde un operador podría tocar el exterior del EUT. Utilice descarga por contacto para todos los metales expuestos donde un operador podría tocarlos y descargarlos. Pruebe las polaridades tanto positivas como negativas. La mayoría de las pruebas comerciales requieren una descarga de contacto de 4 kV y una descarga de aire de 8 kV.

La configuración de prueba también incluye planos de acoplamiento horizontales y verticales. Utilice la punta de descarga de contacto en los planos de acoplamiento. Estos aviones necesitan una ruta de descarga a tierra de alta impedancia. Consulte la norma IEC para obtener detalles y procedimientos de prueba exactos.

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Figura 9. Un simulador de ESD típico con puntas de descarga de aire y de contacto. Puede producir hasta +/- 15 kV.

Resumen

Al desarrollar su propio laboratorio de pruebas de cumplimiento previo y solución de problemas de EMI, ahorrará tiempo y dinero al trasladar el proceso de solución de problemas internamente, en lugar de programar el tiempo y los costos relacionados y los retrasos en la programación dependiendo de laboratorios de pruebas comerciales.

La mayoría de las pruebas de EMI de alto riesgo se realizan fácilmente con equipos de bajo costo. El ahorro de costos al realizar la resolución de problemas en sus propias instalaciones puede ascender a cientos de miles de dólares y semanas o meses de retrasos en el producto.


Referencias

Lista recomendada de equipos de solución de problemas EMI: http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. Calculadora de oscilador de reloj (Patrick André) – http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. André y Wyatt, Libro de recetas de solución de problemas de EMI para diseñadores de productos, SciTech, 2014.
  3. Joffe y Lock, Motivos para la puesta a tierra, Wiley, 2010
  4. Ott, Ingeniería de compatibilidad electromagnética, Wiley, 2009
  5. Mardiguian, Técnicas de resolución de problemas EMI, McGraw-Hill, 2000
  6. Montrose, EMC simplificado, Servicios de cumplimiento de Montrose, 2014
  7. Morrison, Puesta a tierra y blindaje: circuitos e interferencias, Wiley, 2016
  8. Williams, EMC para diseñadores de productos, Newnes, 2017

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