EMI-probleemoplossing, stap voor stap

emi-probleemoplossing stap voor stap

In dit artikel beschrijven we de stappen die we gewoonlijk nemen om de vier belangrijkste EMI-problemen op te lossen.

1

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

In dit artikel beschrijven we de stappen die we gewoonlijk nemen om de vier belangrijkste 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 gewoonlijk nemen om de vier belangrijkste EMI-problemen, geleide emissies, uitgestraalde emissies, uitgestraalde immuniteit en elektrostatische ontladingen op te lossen. Hiervan zijn de laatste drie de meest voorkomende problemen, waarbij uitgestraalde emissies doorgaans de grootste mislukking zijn. Als uw product of systeem (EUT) voldoende stroom en I/O-poortfiltering heeft, zijn geleide emissies en de andere immuniteitstests die verband houden met de stroomlijn doorgaans geen probleem.

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


Uitgevoerde emissies

Dit is meestal geen probleem als de stroomleidingen voldoende worden gefilterd. Bij veel goedkope voedingen ontbreekt echter een goede filtering. Sommige merken zonder naam hebben helemaal geen filtering! De uitgevoerde emissietest is eenvoudig uit te voeren, dus alsjeblieft.

Stel uw spectrumanalysator als volgt in:

  1. Frequentie 150 kHz tot 30 MHz
  2. Resolutie bandbreedte = 10 of 9 kHz
  3. Voorversterker = Uit
  4. Pas het referentieniveau aan zodat de hoogste harmonischen worden weergegeven en de verticale schaal zelfs in stappen van 10 dB wordt weergegeven
  5. Gebruik aanvankelijk gemiddelde detectie en later CISPR-detectie voor eventuele pieken
  6. Interne demping – begin eerst met 20 tot 30 dB en pas deze aan voor de beste weergave en geen overbelasting van de analysator.
  7. Stel de verticale eenheden in op dBμV

We houden er ook van om de horizontale schaal in te stellen van lineair naar log, zodat frequenties gemakkelijker uit te lezen zijn.

Zorg voor een lijnimpedantiestabilisatienetwerk (LISN) en plaats dit tussen het te testen product of systeem en de spectrumanalysator. Let op onderstaande volgorde van aansluiten!

LET OP : Het is vaak belangrijk om de EUT in te schakelen voordat u de LISN op de analysator aansluit. Dit komt doordat er grote transiënten kunnen optreden bij het opstarten en mogelijk de gevoelige ingangstrap van de analysator kunnen vernietigen. Merk op dat de TekBox LISN een ingebouwde transiëntbeveiliging heeft. Niet iedereen doet dat...je bent gewaarschuwd!

Schakel de EUT in en sluit vervolgens de 50-Ohm uitgangspoort van de LISN aan op de analysator. Merk op dat de harmonischen meestal erg hoog zijn bij de lagere frequenties en afnemen naar 30 MHz. Zorg ervoor dat deze hogere harmonischen de analysator niet oversturen. Voeg indien nodig extra interne demping toe.

Door de gemiddeld gedetecteerde pieken te vergelijken met de juiste CISPR-limieten, kunt u vóór de formele nalevingstests vaststellen of de EUT wel of niet slaagt.


Omgevingszenders

Een probleem waar u meteen tegenaan zult lopen als u buiten een afgeschermde of semi-echoïsche kamer test, 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. Normaal gesproken voeren we een basislijngrafiek uit op de analysator met behulp van de “Max Hold”-modus om een ​​samengestelde omgevingsgrafiek op te bouwen. Vervolgens activeren we aanvullende sporen voor de daadwerkelijke metingen. We hebben bijvoorbeeld vaak drie plots of sporen op het scherm; de omgevingsbasislijn, de “voor”-grafiek en de “na”-grafiek met enige correctie toegepast.

Vaak is het gemakkelijker om het frequentiebereik op de spectrumanalysator te verkleinen tot nul op een bepaalde harmonische, waardoor de meeste omgevingssignalen worden geëlimineerd. Als de harmonische een smalbandige continue golf (CW) is, kan het verminderen van de resolutiebandbreedte (RBW) ook helpen de EUT-harmonischen te scheiden van nabijgelegen omgevingen. Zorg er wel voor dat het verminderen van de RBW niet ook de harmonische amplitude vermindert.

Een andere waarschuwing is dat sterke nabijgelegen zenders de amplitudenauwkeurigheid van de gemeten signalen kunnen beïnvloeden, en ook mengproducten kunnen creëren die harmonischen lijken te zijn, maar in werkelijkheid combinaties zijn van de zenderfrequentie en het mengcircuit in de analysator. Mogelijk moet u een extern banddoorlaatfilter op de gewenste harmonische frequentie gebruiken om de invloed van de externe zender te verminderen. Hoewel duurder, zou een EMI-ontvanger met afgestemde voorselectie nuttiger zijn dan een normale spectrumanalysator in hoge RF-omgevingen. Keysight Technologies en Rohde & Schwarz zouden leveranciers zijn om te overwegen. Al deze technieken worden in meer detail 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. Resolutie bandbreedte = 100 of 120 kHz
  3. Voorversterker = Aan (of gebruik een externe 20 dB voorversterker als de analysator deze niet heeft)
  4. Pas het referentieniveau aan zodat de hoogste harmonischen worden weergegeven en de verticale schaal zelfs in stappen van 10 dB wordt weergegeven
  5. Gebruik positieve piekdetectie
  6. Stel de interne verzwakking 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 vind het ook leuk om de horizontale schaal in te stellen van lineair naar log, zodat frequenties gemakkelijker uit te lezen zijn.

Ik voer mijn eerste scan uit tot 500 MHz, omdat dit meestal de slechtste band is voor digitale harmonischen. U wilt ook de emissies tot ten minste 1 GHz (of hoger) registreren om eventuele andere dominante emissies te karakteriseren. Over het algemeen zal het oplossen van de lagere frequentieharmonischen ook de hogere harmonischen verminderen.


Nabij veldonderzoek

De meeste nabije-veldsondesets worden geleverd met zowel E-veld- als H-veldsondes. De keuze voor H-veld- of E-veldsondes hangt af van of u stromen gaat onderzoeken – dat wil zeggen hoge di/dt – (circuitsporen, kabels, enz.) of hoge spanningen – die EMI is, dV/dt – ( schakelende voedingen, enz.) respectievelijk. Beide zijn nuttig voor het lokaliseren van lekkende naden of gaten in afgeschermde behuizingen.

Begin met de grotere H-veldsonde (Afbeelding 1) en snuffel rond in de productbehuizing, printplaat(en) en aangesloten kabels. Het doel is om de belangrijkste geluidsbronnen en specifieke smalband- en breedbandfrequenties te identificeren. Documenteer de waargenomen locaties en dominante frequenties. Terwijl u zich richt op bronnen, wilt u misschien overschakelen naar H-veldsondes met een kleinere diameter, die een grotere resolutie (maar minder gevoeligheid) bieden.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 1. Een nabije veldsonde wordt gebruikt om potentiële bronnen van emissies te helpen identificeren.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

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

Houd er rekening mee dat niet alle bronnen van hoogfrequente energie op het bord 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 zal helpen om de Clock Oscillator Calculator te gebruiken, ontwikkeld door mijn co-auteur, Patrick André. Zie de downloadlink in referentie 2.

Wanneer u potentiële oplossingen op bordniveau toepast, zorg er dan voor dat u de Near Field-sonde vastplakt om de variatie te verminderen die u zult ervaren in de fysieke locatie van de sondetip. Houd er rekening mee dat we vooral geïnteresseerd zijn in relatieve veranderingen wanneer we oplossingen toepassen.

Ook zijn H-veldsondes het meest gevoelig (zullen de meeste magnetische flux koppelen) wanneer hun vlak parallel aan het spoor of de kabel is georiënteerd. Het is ook het beste om de sonde in een hoek van 90 graden ten opzichte van het vlak van de printplaat te plaatsen. Zie figuur 2.

Stroomsonde Meet vervolgens de aangesloten common-mode-kabelstromen (inclusief stroomkabels) met een hoogfrequente stroomsonde, zoals het Fischer Custom Communications-model F-33-1, of gelijkwaardig (Afbeelding 3). Documenteer de locaties van de bovenste verschillende harmonischen en vergelijk deze met de lijst die is bepaald door middel van nabije veldonderzoek. Deze zullen het meest waarschijnlijk daadwerkelijk uitstralen en testfouten veroorzaken, omdat ze over antenne-achtige structuren (kabels) stromen. Gebruik het door de fabrikant meegeleverde kalibratieschema van de overdrachtsimpedantie om de werkelijke stroom bij een bepaalde frequentie te berekenen. Houd er rekening mee dat er slechts 5 tot 8 μA hoogfrequente stroom nodig is om te voldoen aan de FCC- of CISPR-testlimieten.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

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

Het is een goed idee om de stroomtang heen en weer te schuiven om de harmonischen te maximaliseren. Dit komt doordat sommige frequenties op verschillende plekken gaan resoneren, als gevolg van staande golven op de kabel.

Het is ook mogelijk om het uitgestraalde E-veld (V/m) te voorspellen, gegeven de stroom die in een draad of kabel vloeit, in de veronderstelling dat de lengte elektrisch kort is bij de betreffende frequentie. Er is aangetoond dat dit nauwkeurig is voor kabels van 1 meter lang tot 200 MHz. Raadpleeg referentie 3 voor details.


Opmerking over het gebruik van externe antennes

Merk op dat er twee verschillende doelen zijn bij het gebruik van externe EMI-antennes;

  1. Relatieve probleemoplossing, waarbij u gebieden met falende frequenties kent en de amplitude ervan moet verminderen. Een gekalibreerde antenne is niet vereist, omdat alleen relatieve veranderingen belangrijk zijn. Het belangrijkste is dat de harmonische inhoud van de EUT gemakkelijk zichtbaar moet zijn.
  2. Pre-compliance testen, waarbij u de testopstelling wilt dupliceren zoals gebruikt door het compliance testlab. Dat betekent dat u een gekalibreerde antenne op 3 of 10 meter afstand van het te testen product of systeem plaatst en vooraf bepaalt of u wel of niet slaagt.

Pre-compliancetesten voor uitgestraalde emissies

Als u een pre-compliancetest wilt uitvoeren, (#2 hierboven), en met een gekalibreerde EMI-antenne op een afstand van 3 of 10 meter van de EUT, kunt u het E-veld (dBμV/m) berekenen door de dBμV-meting van de spectrumanalysator en rekening houdend met het coaxverlies, externe voorversterkerversterking (indien gebruikt), eventuele externe verzwakker (indien gebruikt) en antennefactor (uit de antennekalibratie geleverd door de fabrikant). Deze berekening kan vervolgens rechtstreeks worden vergeleken met de testlimieten voor uitgestraalde emissies van 3 m of 10 m, met behulp van de formule:

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

Voor de doeleinden van dit artikel zal ik mij vooral concentreren op de procedure voor het oplossen van problemen met behulp van een antenne op korte afstand (#1 hierboven) voor algemene karakterisering van harmonische niveaus die feitelijk worden uitgestraald en voor het testen van mogelijke oplossingen. Als u bijvoorbeeld weet dat u bij een bepaalde harmonische frequentie mogelijk 3 dB boven de limiet zit, betekent dit dat uw doel zou moeten zijn om die emissie met 6 tot 10 dB te verminderen voor voldoende marge.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 4. Een typische testopstelling om de daadwerkelijke uitgestraalde emissies te meten en tegelijkertijd de oorzaken op te lossen.


Problemen oplossen met een antenne op korte afstand

Zodra het harmonische profiel van het product volledig is gekarakteriseerd, is het tijd om te zien welke harmonischen daadwerkelijk uitstralen. Om dit te doen, gebruiken we een antenne die op minstens 1 meter afstand van het te testen product of systeem staat om de werkelijke emissies te meten (Figuur 4). Meestal zal het lekkage zijn van aangesloten I/O- of stroomkabels, maar ook lekkage in de afgeschermde behuizing. Vergelijk deze gegevens met die van de nabije veld- en stroomsondes. Kunt u nu de vermoedelijke bron(nen) van de geconstateerde emissies bepalen?

Probeer vast te stellen of kabelstraling het dominante probleem is door de kabels één voor één te verwijderen. U kunt ook proberen om als test een ferrietsmoorspoel op één of meer kabels te installeren. Gebruik de nabije veldsondes 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 filteren, aarden en afschermen gebruiken om de probleememissies te verminderen. Probeer het koppelingspad van de binnenkant van het product naar eventuele externe kabels te bepalen. In sommige gevallen moet de printplaat mogelijk opnieuw worden ontworpen door de stapeling van lagen te optimaliseren of door sporen met hoge snelheid te elimineren die gaten in retourvlakken kruisen, enz. Door de resultaten in realtime te observeren met een antenne op enige afstand afstand, kan de mitigatie fase moet snel gaan.


Gebruikelijke problemen

Er zijn een aantal productontwerpgebieden die uitgestraalde emissies kunnen veroorzaken:

  1. Slechte kabelafschermingen zijn het grootste probleem
  2. Lekkende productafscherming
  3. Interne kabels die aansluiten op naden of I/O-gebieden
  4. Sporen met hoge snelheid kruisen gaten in het retourvlak
  5. Suboptimale stapeling van lagen

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


Uitgestraalde immuniteit

De meeste uitgestraalde immuniteitstests worden uitgevoerd van 80 tot 1000 MHz (of in sommige gevallen zelfs 2,7 GHz). Gebruikelijke testniveaus zijn 3 of 10 V/m. Militaire producten kunnen oplopen tot 50 tot 200 V/m, afhankelijk van de operationele omgeving. De commerciële standaard voor de meeste producten is IEC 61000-4-3, waarvan de testopstelling behoorlijk ingewikkeld is. Met behulp van enkele eenvoudige technieken kunt u de meeste problemen echter snel identificeren en oplossen.

Handheld Radio Voor uitgestraalde immuniteit beginnen we doorgaans buiten de EUT en gebruiken we licentievrije handzenders, zoals de Family Radio Service (FRS) walkietalkies (of gelijkwaardig) om zwakke plekken te bepalen. Door deze radio's met laag vermogen dicht bij het te testen product of systeem te houden, kunt u vaak een storing forceren (Afbeelding 5).

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

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 5. Een licentievrije zender gebruiken om een ​​storing te forceren.


RF-generator

Het is heel gebruikelijk dat alleen bepaalde frequentiebanden gevoelig zijn en soms zijn draagbare radio's met een vaste frequentie niet effectief. In dat geval gebruik ik een instelbare RF-generator met daaraan bevestigde grote H-veldsonde en sonde rondom op bekende falende frequenties. Het helpt ook om de interne kabels en de printplaat te onderzoeken om gevoelige gebieden te bepalen. Voor kleinere producten, zoals in afbeelding 6, kunt u proberen de kleinere H-veldsondes te gebruiken voor de beste fysieke resolutie.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 6. Met behulp van een RF-generator en H-veldsonde om gevoeligheidsgebieden te bepalen.

In plaats van de grotere RF-generatoren van laboratoriumkwaliteit gebruik ik ook een kleinere USB-gestuurde RF-synthesizer, zoals de Windfreak SynthNV (of gelijkwaardig) met de nabije veldsonde. De SynthNV kan tot +19 dBm RF-vermogen produceren van 34 MHz tot 4,4 GHz, en werkt dus goed. Dit past ook mooi in mijn EMI-probleemoplossingskit. Zie Figuur 7. U vindt een lijst met aanbevolen generatoren in Referentie 1.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

Figuur 7. Een kleine gesynthetiseerde RF-generator gebruiken om intense RF-velden rond de sondetip te produceren


Elektrostatische ontlading

Het testen van elektrostatische ontladingen kan het beste worden uitgevoerd met behulp van een testopstelling zoals beschreven in de norm IEC 61000-4-2. Hiervoor zijn een testtafel en grondvlakken van bepaalde afmetingen nodig. De EUT wordt in het midden van de testtafel geplaatst. Ik stel meestal voor om vloertegels te vervangen door koperen of aluminium platen van 1,20 x 2,5 meter, die precies in de ruimtes van de bestaande tegels passen (Figuur 8). Voor het testen is een ESD-simulator vereist, die verkrijgbaar is bij een aantal bronnen. Zie referentie 1. Ik gebruik de oudere KeyTek MiniZap, die relatief klein is en kan worden aangepast tot +/- 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 nogal complex wat betreft het identificeren van de testpunten, maar in principe zijn er twee tests: luchtontlading en contactontlading. Gebruik luchtafvoer voor alle punten waar een operator de buitenkant van de EUT zou kunnen aanraken. Gebruik contactontlading voor alle blootliggende metalen waar een operator deze zou kunnen aanraken en ontladen. Test zowel positieve als negatieve polariteiten. De meeste commerciële tests vereisen een contactontlading van 4 kV en een luchtontlading van 8 kV.

De testopstelling omvat ook horizontale en verticale koppelvlakken. Gebruik de contactontladingstip in de koppelingsvlakken. Deze vliegtuigen hebben een ontladingspad met hoge impedantie naar de aarde nodig. Zie de IEC-norm voor details en exacte testprocedures.

EMI-probleemoplossing, stap voor stap

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

Samenvatting

Door uw eigen EMI-probleemoplossings- en pre-compliance-testlaboratorium te ontwikkelen, bespaart u tijd en geld door het probleemoplossingsproces intern te verplaatsen, in plaats van tijd en de daarmee samenhangende kosten en vertragingen te plannen door afhankelijk te zijn van commerciële testlaboratoria.

De meeste EMI-tests met een hoog risico kunnen eenvoudig worden uitgevoerd met goedkope apparatuur. De kostenbesparingen door het oplossen van problemen in uw eigen vestiging uit te voeren kunnen oplopen tot honderdduizenden dollars en weken of maanden aan productvertragingen.


Referenties

Aanbevolen lijst met apparatuur voor het oplossen van EMI-problemen – 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-kookboek voor probleemoplossing voor productontwerpers, SciTech, 2014.
  3. Joffe en Lock, Gronden voor aarding, Wiley, 2010
  4. Ott, Elektromagnetische compatibiliteitstechniek, Wiley, 2009
  5. Mardiguian, EMI-probleemoplossingstechnieken, McGraw-Hill, 2000
  6. Montrose, EMC eenvoudig gemaakt, Montrose Compliance Services, 2014
  7. Morrison, Aarding en afscherming – circuits en interferentie, Wiley, 2016
  8. Williams, EMC voor productontwerpers, Newnes, 2017

Blij om te helpen
Toegestane maximale grootte is 20 {{ achtervoegsel }}. You can upload multiple files