電磁干擾診斷技巧實例分析上

電磁干擾診斷技巧實例分析上一.前言關(guān)于電磁干擾的對策，許多剛接觸的工程師往往面臨一個問題，雖然看了不少對策的書籍，但是卻不知要用書中的那些方法來解決產(chǎn)品的EMI問題。這是一個很實際的問題，看別人修改似乎沒什么困難，對策加了噪聲便能適當(dāng)?shù)慕档?，而自己修改時下了一大堆對策，找了一大堆的問題點，卻總不能有效地降低噪聲。事實上，這往往也是EMI修改最耗時間的地方，筆者把一些基本的判斷方法做詳細(xì)的介紹，以提供剛?cè)腴T或正面臨EMI困擾問題的讀者參考，整理了一些原則與判斷技巧，希望能夠?qū)ψx者有幫助。二水平、垂直判斷技巧EMI的測試接收天線分為水平與垂直二個極化，亦即要分別測試記錄此二個天線方向的最大讀值，噪聲必須要在天線為水平及垂直測量時皆能符合規(guī)格，測量天線要測量量水平及垂直二個方向，除了要記錄到噪聲最大時的讀值外，也能顯示出噪聲的特性，由這個特性的顯示，我們可初步判斷造成EMI問題的重點，對于細(xì)部的診斷是很有幫助的，通常這個方法是很容易為修改對策人員所忽略。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，另外也會介紹一般對策修改人員最常用的一些動態(tài)分析技許多工程師常常花了許多時間與精神，卻感覺無法掌握到重點，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)省不少對策的時間。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，因為其中往往是累積了多年的心得與經(jīng)驗才體悟出來的方法，而這些方法通常都是非常有效的。圖1接收天線為水平極化方向圖圖1接收天線為水平極化方向說明：這是的產(chǎn)品，讀者可以很明顯地看出來，天線水平時的噪聲和垂直時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)識這個問題，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，由于所產(chǎn)生的電磁波極化相同，故此時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，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)接收天線為水平時噪聲強(qiáng)度較高，可以推測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)接收天線為垂直時噪聲強(qiáng)度較高，可以推測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)會最大。以這個觀點來看問題有時往往很快能找到問題的重點，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。差異：圖是接收天線為水平極化方向。圖是接收天線為垂直極化方向。此為的產(chǎn)品，這兩張圖不同于實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，因為AC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，則會使得天線在垂直方向噪聲增大，但是因為AC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，對于低頻的噪聲(小于200MHz)可以用數(shù)個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，對于高頻的噪聲(大于200MHz)則可將電源線位置改變或左右搖動，看噪聲是否有變大或變小，如果噪聲會隨線的位置而改變，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往往不只一點，而各點可能由不同的輻射機(jī)制所造成，所以可以針對單一點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，這個方法看似簡單，但對于比較復(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OPENSITE測試時，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，針對這兩個現(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Σ邔⑹欠浅Ｓ行АＲ苍S讀者會問，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，這時因為噪聲能量較大，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。為使讀者能夠由實例中了解，筆者亦選取下列數(shù)例以幫助讀者更了解及運用。電源線的判斷的噪聲輻射結(jié)果，而圖則為在電源線加上數(shù)個電源線的判斷的噪聲輻射結(jié)果，而圖則為改變線的形狀，結(jié)果噪聲有明顯的差異。單點噪聲的判斷圖圖為將頻譜分析儀的降低，單獨看的噪聲降低，單獨看向，而圖則為同一角度，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測試時，除了天線要測試水平與垂直二個極化方向外，待測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，除了先判斷水平和垂直噪聲的差異外，便是要將待測物旋轉(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在某一個角度最大，而此時待測物面向天線的位置，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。圖是待測物正面對向接收天線。圖是待測物側(cè)面對向接收天線。說明：這兩張圖是待測物面對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，由于待測物面對天線的位置不同，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的位置部份必須仔細(xì)分析診斷。這個判斷方法也是如前一樣，可能會遇到不管桌子是轉(zhuǎn)在那一個角度，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，因為待測物的每一個方向噪聲皆一樣強(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，通常要花一些時間，有時則要使用金屬彈片、銅箔或噴導(dǎo)電漆來抑制噪聲。最大角度的判斷待測物轉(zhuǎn)到最大角度，而圖待測物轉(zhuǎn)到最大角度，而圖則為用手按前面噴導(dǎo)電漆的塑料殼噪聲明顯降低，故表示要加強(qiáng)導(dǎo)電漆與金屬鐵殼的密合導(dǎo)通效果。最大角度的判斷圖為將將圖為將將則為用銅箔貼在面對天線的前緣外殼上，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Commonmode與Differentialmode的判斷技巧關(guān)于Commonmode和Differentialmode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)Commonmode和Differentialmode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Commonmode和Differentialmode是了解許多，但是對于如何應(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際測試圖形的配合分析，因此筆者將重點放在實際應(yīng)用分析來說明Commonmode和Differentialmode。分析討論圖7是一般測試時最常見到的噪聲頻譜圖形，在此我們做一詳細(xì)的分析。首先看整個頻帶的基線(Baseline)，其特性為一寬帶的噪聲，比較圖8為機(jī)器關(guān)機(jī)時頻譜分析儀的圖形，愈高頻基線愈高是因加了天線因子(AntennaFactor)的原因，亦即高于圖8基線的整個寬帶噪聲，我們可以視為Commonmode的噪聲，而其上一支支單獨的噪聲可以視為Differentialmode噪聲。將噪聲分布情形分成Commonmode和Differentialmode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及對策的方法。造成Commonmode的原因主要是接地(Ground)與屏蔽(Shield)，也就是當(dāng)發(fā)現(xiàn)Commonmode的噪聲非常高時，則要先考慮產(chǎn)品內(nèi)的接地與屏蔽的問題。而造成Differentialmode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，能夠從這兩個方面先把問題厘清，對于深入細(xì)部的修改是很有幫助的。為使讀者能更清楚認(rèn)識與運用這個觀念，筆者再以下例詳細(xì)說明實例五共模的分析實例五分析討論關(guān)于共模和異模的分析，在實際的產(chǎn)品噪聲輻射中，往往是相互混合的，有時無法單純的將其分成共模和異模，這點在對策考慮時也必須做多方的判斷，以噪聲能量的觀點來看，當(dāng)噪聲能量大多分布在Ground上，則此時在頻譜儀上則會看到Broadband的噪聲明顯升高，若噪聲能量大多分布在Trace上，則此時在頻譜儀上會看到Differentialmode的Narrowband噪聲會增加。GroundTraceVN=INRGVN∞INATLTAntennaGround的面積加大(RG減小)或Ground的噪聲減小(IN減小)，不僅Commonmode的輻射可降低，同時Differentialmode也會隨之降低，因為原先在Trace上噪聲的能量一部GroundTraceVN=INRGVN∞INATLTAntenna對于這個觀念必須能夠清楚地了解與認(rèn)識，這一點在電路板的Layout與對策上是非常重要的，也就是對噪聲的防制要能夠有整體的認(rèn)識，而非單獨針對幾個組件下對策。事實上，從許多的例子可以看到，只是單純在Crystral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，下面這個例子即是實際在Terminal產(chǎn)品上針對Oscillator對策的電路圖上述的范例在早期一直被一些對策人員視為秘籍，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，共使用了三個電容、四個電感和一個電阻，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，總是信心滿滿認(rèn)為只要在適當(dāng)?shù)牡胤郊由蠟V波對策即可，結(jié)果花了許多時間卻一直不能放棄噪聲而感到困擾與挫折。這是因為沒有對噪聲的特性先做一評估，又缺少EMI整體對策的觀念，所以有時低頻噪聲抑制下來，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)覆是非常耗時的。大部份噪聲測試的頻譜圖，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础嵗咧C波的分析分析討論計算每一支等距噪聲差為14MHz，此表示出有一個14MHz的Clock信號所造成，或者是經(jīng)過除頻后有14MHz的信號產(chǎn)生。由于在電路板上往往會使用數(shù)個不同頻率的Crystal，以致有時無法判斷是那一個Crystal所造成，利用這個方法有時可以很快的確定是那一個Crystal造成，然后再做對策，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。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引起噪聲干擾，通常頻譜分析儀設(shè)定由30MHz測到300MHz，如此可以很快看出有那些噪聲無法符合，但是因為頻寬設(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，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，然后做一個初步的研究分析，這個方法所得到的結(jié)論是偏向猜測性與預(yù)測性的，有時可能如所分析的結(jié)果然而有時