EMI-probleemoplossing, stap voor stap

emi-probleemoplossing stap voor stap

In dit artikel beschrijven we de stappen die we doorgaans nemen om de vier meest voorkomende EMI-problemen op te lossen.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

In dit artikel beschrijven we de stappen die we doorgaans nemen om de vier meest voorkomende EMI-problemen op te lossen: geleide emissies, uitgestraalde emissies, uitgestraalde immuniteit en elektrostatische ontlading.

"Artikel oorspronkelijk gepubliceerd in Interference Technology (https://interferencetechnology.com/emi-troubleshooting-step-step/) door Kenneth Wyatt"

In dit artikel beschrijven we de stappen die we doorgaans nemen om de vier meest voorkomende EMI-problemen op te lossen: geleide emissies, uitgestraalde emissies, uitgestraalde immuniteit en elektrostatische ontlading. Van deze problemen zijn de laatste drie de meest voorkomende, waarbij uitgestraalde emissies doorgaans de grootste storing vormen. Als uw product of systeem (EUT) voldoende stroom en I/O-poortfiltering heeft, vormen geleide emissies en andere immuniteitstests met betrekking tot de stroomlijn doorgaans geen probleem.

Voor uw gemak hebben we een lijst samengesteld met aanbevolen apparatuur die nuttig is voor het oplossen van EMI-problemen. De downloadlink vindt u in Referentie 1.

Geleide emissies

Dit is meestal geen probleem, mits de netspanning goed gefilterd is. Veel goedkope voedingen hebben echter geen goede filtering. Sommige "no name" merken hebben helemaal geen filtering! De emissietest is eenvoudig uit te voeren, dus hier is hij.

Stel uw spectrumanalysator als volgt in:

  1. Frequentie 150 kHz tot 30 MHz
  2. Resolutiebandbreedte = 10 of 9 kHz
  3. Voorversterker = Uit
  4. Pas het referentieniveau aan zodat de hoogste harmonischen worden weergegeven en de verticale schaal in gelijkmatige stappen van 10 dB wordt weergegeven
  5. Gebruik in eerste instantie gemiddelde detectie en CISPR-detectie bij eventuele pieken later
  6. Interne demping: begin met 20 tot 30 dB en pas dit aan voor de beste weergave en om overbelasting van de analysator te voorkomen.
  7. Stel de verticale eenheden in op dBμV

We stellen de horizontale schaal ook graag in van lineair naar logaritmisch, zodat de frequenties gemakkelijker af te lezen zijn.

Zorg voor een Line Impedance Stabilization Network (LISN) en plaats deze tussen het te testen product of systeem en de spectrumanalysator. Let op de onderstaande aansluitvolgorde!

LET OP : Het is vaak belangrijk om de EUT in te schakelen voordat u de LISN op de analyzer aansluit. Dit komt doordat er bij het inschakelen grote transiënten kunnen optreden die de gevoelige ingangstrap van de analyzer kunnen beschadigen. De TekBox LISN heeft ingebouwde transiëntenbeveiliging. Niet alle apparaten hebben dit... u bent gewaarschuwd!

Schakel de EUT in en sluit vervolgens de 50-Ohm-uitgang van de LISN aan op de analyzer. Let op: de harmonischen zijn meestal erg hoog bij de lagere frequenties en nemen af ​​rond de 30 MHz. Zorg ervoor dat deze hogere harmonischen de analyzer niet overbelasten. Voeg indien nodig extra interne verzwakking toe.

Door de gemiddelde gedetecteerde pieken te vergelijken met de juiste CISPR-limieten, kunt u vaststellen of de EUT slaagt of faalt voordat er formele nalevingstesten plaatsvinden.

Omgevingszenders

Een probleem dat je direct tegenkomt bij het testen buiten een afgeschermde ruimte of semi-anechoïsche kamer, is het aantal omgevingssignalen van bronnen zoals FM- en tv-zenders, mobiele telefoons en portofoons. Dit is vooral een probleem bij het gebruik van stroomtangen of externe antennes. We maken meestal een basislijngrafiek op de analyzer met behulp van de "Max Hold"-modus om een ​​samengestelde omgevingsgrafiek op te bouwen. Vervolgens activeren we extra traces voor de daadwerkelijke metingen. Zo hebben we vaak drie grafieken of traces op het scherm: de omgevingsbasislijn, de "voor"-grafiek en de "na"-grafiek met een correctie.

Vaak is het gemakkelijker om het frequentiebereik op de spectrum analyzer te verkleinen tot een specifieke harmonische, waardoor de meeste omgevingssignalen worden geëlimineerd. Als de harmonische een smalbandige continue golf (CW) is, kan het verlagen van de resolutiebandbreedte (RBW) ook helpen om de EUT-harmonischen te scheiden van de omgevingssignalen in de omgeving. Zorg er wel voor dat het verlagen van de RBW niet ook de amplitude van de harmonische vermindert.

Een andere waarschuwing is dat sterke zenders in de buurt de amplitudenauwkeurigheid van de gemeten signalen kunnen beïnvloeden en mengproducten kunnen creëren die harmonischen lijken, maar in werkelijkheid combinaties zijn van de zenderfrequentie en het mengcircuit in de analyzer. Mogelijk moet u een extern banddoorlaatfilter gebruiken op de gewenste harmonische frequentie om de invloed van de externe zender te verminderen. Hoewel duurder, is een EMI-ontvanger met afgestemde voorselectie nuttiger dan een normale spectrumanalysator in omgevingen met een hoog RF-niveau. Keysight Technologies en Rohde & Schwarz zouden leveranciers kunnen zijn die u kunt overwegen. Al deze technieken worden gedetailleerder beschreven in Referentie 3.

Uitgestraalde emissies

Dit is normaal gesproken de test met het hoogste risico. Stel uw spectrumanalysator als volgt in:

  1. Frequentie 10 tot 500 MHz
  2. Resolutiebandbreedte = 100 of 120 kHz
  3. Voorversterker = Aan (of gebruik een externe 20 dB voorversterker als de analyzer dit niet heeft)
  4. Pas het referentieniveau aan zodat de hoogste harmonischen worden weergegeven en de verticale schaal in gelijkmatige stappen van 10 dB wordt weergegeven
  5. Gebruik positieve piekdetectie
  6. Stel de interne demping in op nul

Soms geef ik er de voorkeur aan om de verticale eenheden in te stellen van de standaard dBm naar dBμV, zodat de weergegeven getallen positief zijn. Dit is ook dezelfde eenheid die wordt gebruikt in de testlimieten van de normen. Ik stel de horizontale schaal ook graag in van lineair naar logaritmisch, zodat de frequenties gemakkelijker af te lezen zijn.

Ik voer mijn eerste scan uit tot 500 MHz, omdat dit doorgaans de band is met de grootste kans op digitale harmonischen. Je wilt ook de emissies tot ten minste 1 GHz (of hoger) registreren om eventuele andere dominante emissies te karakteriseren. Over het algemeen geldt dat het oplossen van de lagere frequentieharmonischen ook de hogere harmonischen zal verminderen.

Nabij-veldonderzoek

De meeste near-field probe-sets worden geleverd met zowel E-veld- als H-veldprobes. De keuze voor H-veld- of E-veldprobes hangt af van of u respectievelijk stromen (d.w.z. hoge di/dt) (circuitsporen, kabels, enz.) of hoge spanningen (d.w.z. EMI) (dV/dt) (schakelende voedingen, enz.) wilt meten. Beide zijn nuttig voor het opsporen van lekkende naden of openingen in afgeschermde behuizingen.

Begin met de grotere H-veldsonde (Figuur 1) en snuffel rond de behuizing van het product, de printplaat(en) en de aangesloten kabels. Het doel is om belangrijke ruisbronnen en specifieke smalband- en breedbandfrequenties te identificeren. Documenteer de locaties en dominante frequenties die u observeert. Naarmate u zich op de bronnen richt, kunt u overstappen op H-veldsondes met een kleinere diameter. Deze bieden een hogere resolutie (maar minder gevoeligheid).

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 1. Een nabijveldsonde wordt gebruikt om potentiële emissiebronnen te helpen identificeren.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 2. H-veldprobes bieden de beste gevoeligheid wanneer ze ten opzichte van het circuitspoor of de kabel worden georiënteerd, zoals weergegeven. Afbeelding met dank aan Patrick André.

Houd er rekening mee dat niet alle bronnen van hoogfrequente energie op de printplaat daadwerkelijk zullen uitstralen! Straling vereist een vorm van koppeling met een "antenne-achtige" structuur, zoals een I/O-kabel, stroomkabel of naad in de afgeschermde behuizing.

Vergelijk de harmonische frequenties met bekende klokoscillatoren of andere hoogfrequente bronnen. Het is handig om de klokoscillatorcalculator te gebruiken, ontwikkeld door mijn co-auteur Patrick André. Zie de downloadlink in Referentie 2.

Zorg ervoor dat u bij het aanbrengen van mogelijke fixaties op printplaatniveau de near-field probe afplakt om de variatie in de fysieke locatie van de probepunt te minimaliseren. Houd er rekening mee dat we vooral geïnteresseerd zijn in relatieve veranderingen tijdens het aanbrengen van fixaties.

H-veldprobes zijn bovendien het gevoeligst (ze koppelen de meeste magnetische flux) wanneer hun vlak parallel aan de trace of kabel staat. Het is ook het beste om de probe in een hoek van 90 graden ten opzichte van het vlak van de printplaat te plaatsen. Zie figuur 2.

Stroomprobe Meet vervolgens de aangesloten common-mode kabelstromen (inclusief stroomkabels) met een hoogfrequente stroomprobe, zoals het model F-33-1 van Fischer Custom Communications of een gelijkwaardige (Figuur 3). Noteer de locaties van de bovenste harmonischen en vergelijk deze met de lijst die is vastgesteld met behulp van near-field-metingen. Deze zullen waarschijnlijk het meest effectief uitstralen en testfouten veroorzaken, omdat ze door antenneachtige structuren (kabels) stromen. Gebruik de door de fabrikant meegeleverde kalibratietabel van de overdrachtsimpedantie om de werkelijke stroom bij een bepaalde frequentie te berekenen. Houd er rekening mee dat slechts 5 tot 8 μA hoogfrequente stroom nodig is om de FCC- of CISPR-testlimieten te overschrijden.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 3. Gebruik van een stroomtang om hoogfrequente stromen te meten die door I/O- en stroomkabels lopen.

Het is een goed idee om de stroomtang heen en weer te bewegen om de harmonischen te maximaliseren. Dit komt doordat sommige frequenties op verschillende plaatsen resoneren door staande golven op de kabel.

Het is ook mogelijk om het uitgestraalde E-veld (V/m) te voorspellen op basis van de stroomsterkte in een draad of kabel, ervan uitgaande dat de lengte elektrisch kort is bij de betreffende frequentie. Dit is aangetoond voor kabels van 1 meter lang tot 200 MHz. Zie referentie 3 voor meer informatie.

Opmerking over het gebruik van externe antennes

Houd er rekening mee dat er twee verschillende doelen zijn bij het gebruik van externe EMI-antennes;

  1. Relatieve probleemoplossing, waarbij u weet waar de frequenties falen en u de amplitude ervan moet verlagen. Een gekalibreerde antenne is niet nodig, aangezien alleen relatieve veranderingen van belang zijn. Het belangrijkste is dat de harmonische inhoud van de EUT gemakkelijk zichtbaar moet zijn.
  2. Pre-compliancetesten, waarbij u de testopstelling wilt dupliceren zoals die door het compliancetestlab wordt gebruikt. Dat wil zeggen dat u een gekalibreerde antenne op 3 of 10 meter afstand van het te testen product of systeem plaatst en vooraf vaststelt of u slaagt of zakt.
Pre-compliance testen voor uitgestraalde emissies

Als u een pre-compliance test wilt uitvoeren (zie punt 2 hierboven), kunt u met een gekalibreerde EMI-antenne op een afstand van 3 of 10 meter van de EUT het E-veld (dBμV/m) berekenen door de dBμV-waarde van de spectrumanalysator te registreren en rekening te houden met het coaxverlies, de versterking van de externe voorversterker (indien gebruikt), een eventuele externe verzwakker (indien gebruikt) en de antennefactor (op basis van de door de fabrikant geleverde antennekalibratie). Deze berekening kan vervolgens direct worden vergeleken met de limieten voor de emissietest op 3 of 10 meter met behulp van de formule:

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

In dit artikel zal ik me vooral richten op de procedure voor het oplossen van problemen met een antenne met een korte tussenruimte (#1 hierboven) voor een algemene karakterisering van de harmonische niveaus die daadwerkelijk worden uitgestraald en het testen van mogelijke oplossingen. Als u bijvoorbeeld weet dat u bij een bepaalde harmonische frequentie mogelijk 3 dB over de limiet heen zit, betekent dit dat u die emissie met 6 tot 10 dB moet verminderen om voldoende marge te creëren.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 4. Een typische testopstelling om de werkelijke uitgestraalde emissies te meten en tegelijkertijd de oorzaken ervan op te sporen.

Problemen oplossen met een dicht op elkaar geplaatste antenne

Zodra het harmonische profiel van het product volledig is gekarakteriseerd, is het tijd om te zien welke harmonischen daadwerkelijk uitzenden. Hiervoor gebruiken we een antenne die minimaal 1 meter van het te testen product of systeem verwijderd is om de daadwerkelijke emissies te meten (Figuur 4). Meestal gaat het om lekstroom van aangesloten I/O- of stroomkabels, evenals lekstroom in de afgeschermde behuizing. Vergelijk deze gegevens met die van de near-field- en stroomtangen. Kunt u nu de waarschijnlijke bron(nen) van de waargenomen emissies bepalen?

Probeer te bepalen of kabelstraling het grootste probleem is door de kabels één voor één te verwijderen. U kunt ook proberen een ferrietsmoorspoel op één of meer kabels te installeren als test. Gebruik de near-field probes om te bepalen of er ook lekkage optreedt via naden of openingen in de afgeschermde behuizing.

Zodra de emissiebronnen zijn geïdentificeerd, kunt u uw kennis van filtering, aarding en afscherming gebruiken om de problematische emissies te beperken. Probeer het koppelingspad van binnenuit het product naar eventuele externe kabels te bepalen. In sommige gevallen moet de printplaat mogelijk opnieuw worden ontworpen door de lagenstapeling te optimaliseren of door hogesnelheidssporen die gaten in retourvlakken kruisen, te elimineren. Door de resultaten in realtime te observeren met een antenne op enige afstand, zou de mitigatiefase snel moeten verlopen.

Veelvoorkomende problemen

Er zijn een aantal productontwerpgebieden die stralingsemissies kunnen veroorzaken:

  1. Slechte kabelafscherming is het grootste probleem
  2. Lekkende productafscherming
  3. Interne kabels die aan naden of I/O-gebieden worden gekoppeld
  4. Sporen met hoge snelheid kruisen gaten in het terugkeervlak
  5. Suboptimale laagstapeling

Raadpleeg de referenties voor aanvullende informatie over systeem- en printplaatontwerpproblemen die emissiestoringen kunnen veroorzaken.

Stralingsimmuniteit

De meeste tests voor stralingsimmuniteit worden uitgevoerd tussen 80 en 1000 MHz (of in sommige gevallen zelfs tot 2,7 GHz). Veelvoorkomende testniveaus zijn 3 of 10 V/m. Militaire producten kunnen 50 tot 200 V/m bereiken, afhankelijk van de operationele omgeving. De commerciële norm voor de meeste producten is IEC 61000-4-3, waarvan de testopstelling behoorlijk complex is. Met behulp van een paar eenvoudige technieken kunt u de meeste problemen echter snel identificeren en oplossen.

Draagbare radio's: voor stralingsimmuniteit beginnen we over het algemeen buiten de EUT en gebruiken we vergunningsvrije draagbare zenders, zoals de portofoons van de Family Radio Service (FRS) (of gelijkwaardig) om zwakke plekken te identificeren. Door deze portofoons met laag vermogen dicht bij het te testen product of systeem te houden, kunt u vaak een storing forceren (Figuur 5).

Houd de zendknop ingedrukt en laat de radioantenne rondom de EUT lopen. Dit omvat alle kabels, naden, displaypoorten, enz.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 5. Een storing forceren met een vergunningsvrije zender.

RF-generator

Het komt vaak voor dat alleen bepaalde frequentiebanden gevoelig zijn en soms zijn de portofoons met vaste frequentie niet effectief. In dat geval gebruik ik een instelbare RF-generator met een grote H-veldsonde en meet ik rondom op bekende, falende frequenties. Het helpt ook om de interne kabels en de printplaat te testen om de gevoelige gebieden te bepalen. Voor kleinere producten, zoals in afbeelding 6, kunt u de kleinere H-veldsondes gebruiken voor de beste fysieke resolutie.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 6. Het gebruik van een RF-generator en een H-veldsonde om gevoelige gebieden te bepalen.

In plaats van de grotere RF-generatoren van labkwaliteit gebruik ik ook een kleinere USB-gestuurde RF-synthesizer, zoals de Windfreak SynthNV (of een equivalent) met de near-field probe. De SynthNV kan tot +19 dBm RF-vermogen produceren van 34 MHz tot 4,4 GHz, dus werkt prima. Deze past ook prima in mijn EMI-probleemoplossingsset. Zie Afbeelding 7. Een lijst met aanbevolen generatoren vindt u in Referentie 1.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 7. Gebruik van een kleine gesynthetiseerde RF-generator om intense RF-velden rond de punt van de sonde te produceren

Elektrostatische ontlading

Testen op elektrostatische ontlading kan het beste worden uitgevoerd met een testopstelling zoals beschreven in de norm IEC 61000-4-2. Hiervoor zijn een testtafel en aardingsvlakken met bepaalde afmetingen nodig. De EUT wordt in het midden van de testtafel geplaatst. Ik raad meestal aan om vloertegels te vervangen door koperen of aluminium platen van 1,2 x 2,4 meter, die precies in de uitsparingen van de bestaande tegels passen (Figuur 8). Voor het testen is een ESD-simulator nodig, die bij verschillende bronnen verkrijgbaar is. Zie referentie 1. Ik gebruik de oudere KeyTek MiniZap, die relatief klein is en kan worden ingesteld op +/- 15 kV. Er zijn verschillende andere geschikte (en nieuwere) ontwerpen.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 8. De ESD-testopstelling volgens IEC 6100-4-2. Afbeelding met dank aan Keith Armstrong.

ESD-testen zijn vrij complex wat betreft het identificeren van de testpunten, maar in principe zijn er twee tests: luchtontlading en contactontlading. Gebruik luchtontlading voor alle punten waar een operator de buitenkant van de EUT zou kunnen aanraken. Gebruik contactontlading voor al het blootgestelde metaal waar een operator de EUT zou kunnen aanraken en waarin ontlading zou kunnen plaatsvinden. Test zowel de positieve als de negatieve polariteit. De meeste commerciële tests vereisen 4 kV contactontlading en 8 kV luchtontlading.

De testopstelling omvat ook horizontale en verticale koppelvlakken. Gebruik de contactontladingspunt in de koppelvlakken. Deze vlakken vereisen een hoogohmig ontladingspad naar aarde. Zie de IEC-norm voor details en exacte testprocedures.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 9. Een typische ESD-simulator met lucht- en contactontladingstips. Kan tot +/- 15 kV produceren.

Samenvatting

Door uw eigen EMI-probleemoplossings- en pre-compliance-testlab op te zetten, bespaart u tijd en geld. U kunt het probleemoplossingsproces namelijk intern uitvoeren in plaats van tijd in te plannen, met alle bijbehorende kosten en vertragingen die gepaard gaan met afhankelijkheid van commerciële testlabs.

De meeste EMI-tests met een hoog risico kunnen eenvoudig worden uitgevoerd met goedkope apparatuur. De kostenbesparing door het uitvoeren van probleemoplossing in uw eigen faciliteit kan oplopen tot honderdduizenden dollars en weken of maanden aan productvertragingen.

Referenties

Aanbevolen lijst met EMI-probleemoplossingsapparatuur – http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. Klokoscillatorcalculator (Patrick André) – http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. André en Wyatt, EMI Troubleshooting Cookbook voor productontwerpers, SciTech, 2014.
  3. Joffe en Lock, Grounds For Grounding, Wiley, 2010
  4. Ott, Elektromagnetische compatibiliteitstechniek, Wiley, 2009
  5. Mardiguian, EMI-probleemoplossingstechnieken, McGraw-Hill, 2000
  6. Montrose, EMC vereenvoudigd, Montrose Compliance Services, 2014
  7. Morrison, Aarding en afscherming – Circuits en interferentie, Wiley, 2016
  8. Williams, EMC voor productontwerpers, Newnes, 2017

Meer resultaten