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大師手筆:輻射騷擾問題診斷技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2014-01-03 來源:化二為一 責(zé)任編輯:cicy

【導(dǎo)讀】今天網(wǎng)友“化二為一”來稿,文中全是化二的經(jīng)驗(yàn)所得,為了使大家在輻射騷擾問題診斷上面少走彎路,化二在文章詳細(xì)的介紹了電氣電子產(chǎn)品輻射騷擾問題診斷方法,以及整改措施。愿意跟大家分享的人才是最值得尊敬的人,化二一直在默默的給大家貢獻(xiàn)資料與經(jīng)驗(yàn)心得,小編在此對(duì)他表示衷心的感謝!

嚴(yán)重申明:本文為網(wǎng)友化二為一提供(未經(jīng)許可,嚴(yán)禁轉(zhuǎn)播)
化二為一
化二為一接受電子元件技術(shù)網(wǎng)的專訪
 
1.前言

電磁輻射騷擾是電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容認(rèn)證中最難通過的測(cè)試項(xiàng)目之一。關(guān)于電磁干擾的對(duì)策,許多剛接觸的工程師往往面臨一個(gè)問題,雖然看了不少對(duì)策的書籍,但是卻不知要用書中的那些方法來解決產(chǎn)品的EMI問題。這是一個(gè)很實(shí)際的問題,看別人修改似乎沒什么困難,對(duì)策加了噪聲便能適當(dāng)?shù)慕档?,而自己修改時(shí)下了一大堆對(duì)策,找了一大堆的問題點(diǎn),卻總不能有效地降低噪聲。

2.水平、垂直判斷技巧

EMI的測(cè)試接收天線分為水平與垂直二個(gè)極化,亦即要分別測(cè)試記錄此二個(gè)天線方向的最大讀值,噪聲必須要在天線為水平及垂直測(cè)量時(shí)皆能符合規(guī)格,測(cè)量天線要測(cè)量量水平及垂直二個(gè)方向,除了要記錄到噪聲最大時(shí)的讀值外,也能顯示出噪聲的特性,由這個(gè)特性的顯示,我們可初步判斷造成EMI問題的重點(diǎn),對(duì)于細(xì)部的診斷是很有幫助的,通常這個(gè)方法是很容易為修改對(duì)策人員所忽略。在本期的分析中,筆者要介紹幾種EMI的判圖技巧,也就是如何從靜態(tài)的頻譜分析儀所得到的噪聲頻譜圖做初步的分析,另外也會(huì)介紹一般對(duì)策修改人員最常用的一些動(dòng)態(tài)分析技巧。

許多工程師常常花了許多時(shí)間與精神,卻感覺無法掌握到重點(diǎn),可能就是缺乏基本分析的技巧,在噪聲的判斷上有一些混淆,如果能夠掌握一些分析方法,可以節(jié)省不少對(duì)策的時(shí)間。這里所提的一些方法,一直被不少資深的EMI工程師視為秘訣,因?yàn)槠渲型抢鄯e了多年的心得與經(jīng)驗(yàn)才體悟出來的方法,而這些方法通常都是非常有效的。
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 實(shí)例一  水平與垂直讀值的差異

實(shí)例一  水平與垂直讀值的差異


說明 :
這是Modem&Telephone的產(chǎn)品,讀者可以很明顯地看出來,天線水平時(shí)的噪聲和垂直時(shí)的噪聲有很大的差異,那么這其中代表了什么意義呢?

分析討論

要清楚的認(rèn)識(shí)這個(gè)問題,首先必須要了解天線的基本理論,我們先假設(shè)發(fā)射與接收天線皆為偶極天線。

 發(fā)射天線接收天線


上圖為當(dāng)發(fā)射天線與接收天線同方向時(shí),由于所產(chǎn)生的電磁波極化相同,故此時(shí)接收天線可得到最大的共振接收強(qiáng)度 

發(fā)射天線接收天線


當(dāng)發(fā)射天線與接收天線不同方向時(shí),則由于發(fā)射天線的電磁波為水平極化,而接收。天線的電磁波為垂直極化,故在共振接收的強(qiáng)度上最小。

以上述這個(gè)觀念來分析水平與垂直噪聲的強(qiáng)度差異,當(dāng)接收天線為水平時(shí)噪聲強(qiáng)度較高,可以推測(cè)此噪聲來源主要是由產(chǎn)品內(nèi)或外的水平線所造成,而當(dāng)接收天線為垂直時(shí)噪聲強(qiáng)度較高,可以推測(cè)此噪聲來源主要是由產(chǎn)品內(nèi)或外的垂直線所造成,也就是從天線共振的角度去思考問題,把產(chǎn)品的輻射源也想象成一假想的天線,那么在相同方向其所造成的共振效應(yīng)會(huì)最大。

以這個(gè)觀點(diǎn)來看問題有時(shí)往往很快能找到問題的重點(diǎn),尤其是一些比較復(fù)雜的產(chǎn)品其內(nèi)部及外部皆有許多導(dǎo)線、連接線的產(chǎn)品,如果能先以水平、垂直的讀值做初步的分析,則比較不容易誤判造成噪聲的機(jī)制。
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實(shí)例二  水平與垂直讀值的差異

 實(shí)例二  水平與垂直讀值的差異

差異:

1. 圖3是接收天線為水平極化方向。
2. 圖4是接收天線為垂直極化方向。

說明:
此為CCD的產(chǎn)品,這兩張圖不同于實(shí)例四是垂直噪聲的讀值明顯比水平噪聲高。

分析討論

關(guān)于水平與垂直噪聲的判斷,筆者在此再做更詳細(xì)的說明,水平噪聲較高,一般必須注意在待測(cè)桌上水平部份較長的線以及產(chǎn)品內(nèi)部水平部份的線,而垂直噪聲如果是比水平噪聲高,那么就必須考慮在垂直方向的線,是否造成輻射的問題,而通常最容易被忽略的就是AC電源線,因?yàn)锳C電源線一般皆沿桌面下垂,所以當(dāng)AC電源線被耦合到噪聲,則會(huì)使得天線在垂直方向噪聲增大,但是因?yàn)锳C電源線無法拔掉來判斷噪聲是否存在,所以不容易很快判斷。

在此介紹二種方法以供讀者使用,對(duì)于低頻的噪聲(小于200MHz)可以用數(shù)個(gè)Core夾上,看噪聲是否降低,如果噪聲降低則表示噪聲是由電源線所輻射出來,對(duì)于高頻的噪聲(大于200MHz)則可將電源線位置改變或左右搖動(dòng),看噪聲是否有變大或變小,如果噪聲會(huì)隨線的位置而改變,那么便表示噪聲是由電源線所輻射出來。

另外由于產(chǎn)品所造成的噪聲頻率點(diǎn)往往不只一點(diǎn),而各點(diǎn)可能由不同的輻射機(jī)制所造成,所以可以針對(duì)單一點(diǎn)的噪聲將頻譜分析儀的頻寬展開,然后天線轉(zhuǎn)成水平及垂直來比較,這個(gè)方法看似簡單,但對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)與產(chǎn)品,其內(nèi)部及外部連接了許多排線,通常可以有效地鎖定問題的范圍。

筆者亦曾經(jīng)處理過一件拖延甚久的案子,由于其在OPEN SITE測(cè)試時(shí),垂直讀值明顯高過水平讀值10dB以上,且當(dāng)人一靠近機(jī)器噪聲亦明顯降低,針對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象來思考,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一短的垂直電纜線連接上下機(jī)體造成,當(dāng)問題找到確定后,再做適當(dāng)?shù)膶?duì)策將是非常有效。

也許讀者會(huì)問,水平和垂直噪聲的讀值一樣高則如何來判斷,若碰到這種情形,通常表示噪聲源非常強(qiáng),故內(nèi)部的各種導(dǎo)線很容易受到耦合,例如使用某些噪聲較強(qiáng)的IC或CPU,這時(shí)因?yàn)樵肼暷芰枯^大,往往要從電路板內(nèi)部與組件的Lay -out、Placement及Ground來下手,當(dāng)然對(duì)策方法不止一種,診斷的方法也不只一種,可以用其它方法再仔細(xì)的分析問題。為使讀者能夠由實(shí)例中了解,筆者亦選取下列數(shù)例以幫助讀者更了解及運(yùn)用。

電源線的判斷

 電源線的判斷


圖(a)為Desktop PC的噪聲輻射結(jié)果,而圖(b)則為在AC Power電源線加上數(shù)個(gè)Core。

電源線的判斷
 

電源線的判斷

圖(c)為Desktop PC在300-500MHz的噪聲輻射結(jié)果,而圖(d)則為改變AC Power電源線的形狀,結(jié)果噪聲有明顯的差異。

單點(diǎn)噪聲的判斷

 單點(diǎn)噪聲的判斷


圖(e)為將頻譜分析儀的Span降低,單獨(dú)看172MHz的噪聲,此時(shí)天線為水平的方向,而圖(f)則為同一角度,將天線轉(zhuǎn)成垂直來看,比較二者的差異便可以知道主要為水平線輻射所造。

三. 最大角度判斷技巧
在EMI測(cè)試時(shí),除了天線要測(cè)試水平與垂直二個(gè)極化方向外,待測(cè)物的桌子并且要旋轉(zhuǎn)360度,記錄最大的噪聲讀值,因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)噪聲無法符合時(shí),除了先判斷水平和垂直噪聲的差異外,便是要將待測(cè)物旋轉(zhuǎn)到最大的噪聲位置,由于電子產(chǎn)品其噪聲的輻射往往會(huì)在某一個(gè)角度最大,而此時(shí)待測(cè)物面向天線的位置,往往是造成輻射的來源,通常要分析這位置附近的組件、導(dǎo)線及屏蔽效果,如此則較容易鎖定范圍,再仔細(xì)分析問題。

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實(shí)例三  最大角度的判斷

最大角度的判斷


差異:
1.圖5是待測(cè)物正面對(duì)向接收天線。
2.圖6是待測(cè)物側(cè)面對(duì)向接收天線。

說明 :
1.這兩張圖是待測(cè)物面對(duì)接收天線不同的角度,由于角度的不同,很明顯地噪聲的強(qiáng)度也有很大的差別。

分析討論
比較上兩圖,由于待測(cè)物面對(duì)天線的位置不同,則噪聲強(qiáng)度明顯的不同,這也說明了噪聲源是在產(chǎn)品的某一部份,亦即靠近天線最大時(shí)的位置部份必須仔細(xì)分析診斷。
這個(gè)判斷方法也是如前一樣,可能會(huì)遇到不管桌子是轉(zhuǎn)在那一個(gè)角度,噪聲強(qiáng)度皆是一樣高,如果碰到這種產(chǎn)品,一般而言是較難處理的,因?yàn)榇郎y(cè)物的每一個(gè)方向噪聲皆一樣強(qiáng),表示此噪聲源已將機(jī)器內(nèi)的每一部份皆感染,處理這一類機(jī)器的EMI問題,通常要花一些時(shí)間,有時(shí)則要使用金屬彈片、銅箔或噴導(dǎo)電漆來抑制噪聲。


最大角度的判斷

 最大角度的判斷

圖(g)為將PC待測(cè)物轉(zhuǎn)到最大角度,而圖(h)則為用手按前面噴導(dǎo)電漆的塑料殼,結(jié)果噪聲明顯降低,故表示要加強(qiáng)導(dǎo)電漆與金屬鐵殼的密合導(dǎo)通效果。

 最大角度的判斷

圖(i)為將將PC待測(cè)物轉(zhuǎn)到最大角度,而圖(j)則為用銅箔貼在面對(duì)天線的PC前緣外殼上,結(jié)果噪聲明顯降低,故表示要加強(qiáng)該處的屏蔽密合效果。

四. Common mode與Differential mode的判斷技巧
關(guān)于Common mode和Differential mode的分析,相信只要接觸過電磁干擾理論的讀者都略知一二,許多書中也強(qiáng)調(diào)Common  mode和Differential mode的重要,并有詳盡的圖解說明其分別造成的機(jī)制,有的文章甚且長篇大論分析了一大堆理論,看了之后
對(duì)Common mode和Differential mode是了解許多,但是對(duì)于如何應(yīng)用與判斷,可能還是有霧里看花,摸不著頭緒的感覺。這主要的原因便是缺少實(shí)際測(cè)試圖形的配合分析,因此筆者將重點(diǎn)放在實(shí)際應(yīng)用分析來說明Common mode和Differential mode。
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實(shí)例四  共模與異模的判斷

實(shí)例四  共模與異模的判斷

差異:
1.圖7是含有共模和異模噪聲的CCD產(chǎn)品。
2.圖8是待測(cè)物電源關(guān)閉后的背景噪聲。

說明 :
這兩張圖是比較共模和異模的判斷。

分析討論
圖7是一般測(cè)試時(shí)最常見到的噪聲頻譜圖形,在此我們做一詳細(xì)的分析。首先看整個(gè)頻帶的基線(Base line),其特性為一寬帶的噪聲,比較圖8為機(jī)器關(guān)機(jī)時(shí)頻譜分析儀的圖形,愈高頻基線愈高是因加了天線因子(Antenna  Factor)的原因,亦即高于圖8基線的整個(gè)寬帶噪聲,我們可以視為 Common mode的噪聲,而其上一支支單獨(dú)的噪聲可以視為Differential mode噪聲。將噪聲分布情形分成 Common mode和Differential mode 的作用為何,主要便是要判斷其分別造成的輻射來源機(jī)制,如此幫助找到問題點(diǎn)及對(duì)策的方法。

造成 Common mode 的原因主要是接地(Ground)與屏蔽(Shield),也就是當(dāng)發(fā)現(xiàn) Common mode的噪聲非常高時(shí),則要先考慮產(chǎn)品內(nèi)的接地與屏蔽的問題。而造成 Differential mode 的原因則主要是線的問題,包括電路板上的trace線、產(chǎn)品內(nèi)部的各種導(dǎo)線及外部的連接線,故要從各各在線來找出問題,能夠從這兩個(gè)方面先把問題厘清,對(duì)于深入細(xì)部的修改是很有幫助的。

為使讀者能更清楚認(rèn)識(shí)與運(yùn)用這個(gè)觀念,筆者再以下例詳細(xì)說明。
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實(shí)例五  共模的分析

實(shí)例五  共模的分析


差異:
1.圖9是一次側(cè)接地和二次側(cè)的地連接在一起。
2.圖10是將一次側(cè)接地和二次側(cè)的地分開。

說明 :
1.此為切換式電源供應(yīng)器的產(chǎn)品,這兩張圖是說明不同接地方式所造成的影響。
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實(shí)例六  異模的分析
 

實(shí)例六  異模的分析


差異:
1.圖11是傳真機(jī)接上電話線。
2.圖12是傳真機(jī)的電話線取下。

說明 :
1.這兩張圖是說明因?yàn)橥饨泳€所造成異模輻射的效應(yīng)。

分析討論
關(guān)于共模和異模的分析,在實(shí)際的產(chǎn)品噪聲輻射中,往往是相互混合的,有時(shí)無法單純的將其分成共模和異模,這點(diǎn)在對(duì)策考慮時(shí)也必須做多方的判斷,以噪聲能量的觀點(diǎn)來看,當(dāng)噪聲能量大多分布在Ground上,則此時(shí)在頻譜儀上則會(huì)看到 Broadband的噪聲明顯升高,若噪聲能量大多分布在Trace上,則此時(shí)在頻譜儀上會(huì)看到 Differential  mode的Narrowband噪聲會(huì)增加。

實(shí)例六  異模的分析

但是在實(shí)際電路板上,噪聲的能量是同時(shí)會(huì)分布在Ground和Trace上,所以當(dāng)Ground 的面積加大(RG減小)或Ground的噪聲減小(IN減小),不僅 Common mode的輻射可降低,同時(shí)Differential mode也會(huì)隨之降低,因?yàn)樵仍赥race上噪聲的能量一部份可被Ground所吸收,而將Trace的路徑減短或面積減小,則除了降低Differential  mode的噪聲外,因?yàn)檩椛涞奶炀€減小后,相對(duì)地Ground噪聲藉Trace所輻射的量自然也就比較小,因此這二者之間往往存在著相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。
對(duì)于這個(gè)觀念必須能夠清楚地了解與認(rèn)識(shí),這一點(diǎn)在電路板的Layout與對(duì)策上是非常重要的,也就是對(duì)噪聲的防制要能夠有整體的認(rèn)識(shí),而非單獨(dú)針對(duì)幾個(gè)組件下對(duì)策。事實(shí)上,從許多的例子可以看到,只是單純?cè)贑rystal上加一些電阻、電容和電感(Bead),通常無法有效地去抑制噪聲噪聲,下面這個(gè)例子即是實(shí)際在Terminal產(chǎn)品上針對(duì)Oscillator對(duì)策的電路圖。

實(shí)例六  異模的分析

 
上述的范例在早期一直被一些對(duì)策人員視為秘籍,許多初學(xué)者看到后總覺得如獲至寶,像上例為了抑制噪聲,共使用了三個(gè)電容、四個(gè)電感和一個(gè)電阻,工程可謂浩大,但是否表示就可以有效抑制噪聲的輻射,答案是否定的。

這也是許多R&D工程師剛開始遇到EMI困擾時(shí),總是信心滿滿認(rèn)為只要在適當(dāng)?shù)牡胤郊由蠟V波對(duì)策即可,結(jié)果花了許多時(shí)間卻一直不能放棄噪聲而感到困擾與挫折。這是因?yàn)闆]有對(duì)噪聲的特性先做一評(píng)估,又缺少EMI整體對(duì)策的觀念,所以有時(shí)低頻噪聲抑制下來,結(jié)果高頻卻又無法符合,或者120MHz噪聲減低,但160MHz噪聲卻又升高,如此反反復(fù)覆是非常耗時(shí)的。

五.Harmonic諧波的判斷技巧
大部份噪聲測(cè)試的頻譜圖,皆可以看到如下之一支支等距的噪聲,這一支支等距的噪聲亦即為噪聲的諧波,通??捎善渑袛嘣肼暤膩碓?。
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實(shí)例七  諧波的分析

 實(shí)例七  諧波的分析


差異:
1.圖13是使用28MHz的CCD產(chǎn)品,經(jīng)過除頻后為14MHz。
2.圖14是使用14MHz的無線麥克風(fēng)的產(chǎn)品。

說明 :
1.這兩張圖是介紹諧波分析的技巧,計(jì)算一支支等距噪聲的頻率差。

分析討論
計(jì)算每一支等距噪聲差為14MHz,此表示出有一個(gè)14MHz的Clock信號(hào)所造成,或者是經(jīng)過除頻后有14MHz的信號(hào)產(chǎn)生。由于在電路板上往往會(huì)使用數(shù)個(gè)不同頻率的Crystal,以致有時(shí)無法判斷是那一個(gè) Crystal 所造成,利用這個(gè)方法有時(shí)可以很快的確定是那一個(gè)Crystal造成,然后再做對(duì)策,如此可省除逐一拆除 Crystal判斷,或者在電路板上逐一割線判斷的麻煩。

六.噪聲點(diǎn)展開的判斷技巧
除了使用諧波的觀念來判斷噪聲的來源外,尚可將噪聲點(diǎn)展開來判斷,也就是將頻譜分析儀的Span減小,然后研究造成的機(jī)制。

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實(shí)例八  噪聲展開的分析

 實(shí)例八  噪聲展開的分析

差異:
1.圖15是TV Game由30-300MHz的噪聲輻射。
2.圖16是將其中較高的噪聲展開。

說明 :
1.這兩張圖是介紹噪聲展開分析的技巧。

分析討論
由于造成輻射噪聲的成因很多,而產(chǎn)品也可能有多種功能組件會(huì)引起噪聲干擾,通常頻譜分析儀設(shè)定由30MHz測(cè)到300MHz,如此可以很快看出有那些噪聲無法符合,但是因?yàn)轭l寬設(shè)定太大,故噪聲幾乎都是一支一支的狀態(tài)顯現(xiàn),如果我們將頻譜的Span減小,此時(shí)便可發(fā)現(xiàn)展開后的波形是不一樣的。
如上例中在30MHz到300MHz的圖中是單支噪聲,但是將Span降至100KHz時(shí),可看出類似方波的波形上還載有另一種波形,透過這種分析也可做為噪聲來源的判斷,為使讀者能更加了解,下列為一些常見到的波形

噪聲展開之分析

噪聲展開之分析 


圖(k)為Clock的信號(hào),而圖(l)則為Video的信號(hào)。

噪聲展開之分析

 噪聲展開之分析


圖(m)為馬達(dá)控制的信號(hào),而圖(n)則為 Clock Generator的信號(hào)。

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上述所介紹的分析技巧主要為靜態(tài)的分析,也就是可以先將各種噪聲的特性與狀況畫出來,然后做一個(gè)初步的研究分析,這個(gè)方法所得到的結(jié)論是偏向猜測(cè)性與預(yù)測(cè)性的,有時(shí)可能如所分析的結(jié)果然而有時(shí)則可能和所分析的看法相距甚遠(yuǎn)。
筆者要再次強(qiáng)調(diào)EMI的對(duì)策是有系統(tǒng)、有方法的,有些步驟看似多余的,但是如此做可以避免事后的許多誤判而鉆入牛角尖,切忌直接判斷問題就蒙著頭一直加對(duì)策,這樣往往會(huì)多花許多時(shí)間與金錢。
 

測(cè)試結(jié)果

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