电磁干扰初步诊断大全

  当一个产品无法通过EMI测试﹐首先就要有一个观念﹐找出无法通过的问题点﹐此时千万不能有主观的念头﹐要在那些地方下对策。常常有许多有经验的EMI工程师﹐由于修改过许多相关产品﹐对于产品可能造成EMI问题的地方也非常了解﹐而习惯直接就下药方﹐当然一般皆可能非常有效﹐但是偶而也会遇到很难修改下来﹐最后发现问题的关键都是起行认为不可能的地方﹐之所以会种疏失﹐就是由于太主观了。因此﹐不论产品特性熟不熟﹐我们都要逐一再确认一次﹐甚而多次确认。这是因为造成EMI的问题往往是错综复杂﹐并非单一点所造成。故反复的做确认及诊断是非常重要的。
  其实﹐许多资深EMI工程师在其对策处理时﹐大部份的时间都在重复这些步骤与判断。笔者要再次强调﹐只有真正找到造成EMI问题的关键﹐才是解决EMI的最佳途径﹐若仅凭理论推测或经验判断,有时反而会花费更多的时间和精力。
  步骤一
  将桌子转到待测(EUT)最大发射的位置﹐初步诊断可能的原因﹐并关掉EUT电源加以确认。
  (说明)
  由于EMI测试上﹐EUT必须转360度而天线由1m到4m变化﹐其目的是要记录辐射最大的情况。同样地﹐当我们发现无法通过测试时﹐首先我们先将天线位置移到噪声接收最大高度﹐然后将桌子转到最差角度﹐此时我们知道在EUT面对天线的这一面辐射最强﹐故可以初步推测可能的原因﹐如此处屏蔽不佳或靠近辐射源或有电线电缆经过等。
  另外须注意的是要关掉EUT的电源﹐看噪声是否存在﹐以确定噪声确实是由EUT所产生。曾见测试Monitor一直无法解决某一点的干扰﹐结果其噪声是由PC所造成而非Monitor的问题﹐亦有在OPEN SITE测试Monitor发现某几点无法通过﹐由测试接收仪器的声音判断应是Monitor产生﹐结果关掉电源发现噪声依然存在﹐所以关掉EUT电源的步骤是必须的﹐而且通常容易被忽略。
  步骤二
  将连接EUT的周边电缆逐一取下﹐看干扰的噪声是否降低或消失。
  (说明)
  若取下某一电缆而干扰的频率减小或甚而消失﹐则可知此电缆已成为天线将机板内的噪声辐射出来。事实上﹐仔细分析造成EMI的关键﹐我们可以用一个很简单的模式来表示。
  任何EMI的Source必须要有天线的存在﹐才能产生辐射的情形﹐若仅单独存在噪声源而没有天线的条件﹐此辐射量是很小的﹐若将其连接到天线则由于天线效应便把能量辐射到空间。所以EMI的对策除了针对噪声源(Source)做处理外﹐最重要的查破坏产生辐射的条件----天线。以往我们最常看到谈EMI对策离不开屏蔽(Shielding),滤波(Filter),接地(Grounding)﹐对于接地往往一块电路板多已固定﹐而无法再做处理﹐因为这一部份在电路板布线(Layout)时就须仔细考虑﹐若板子已完成则此时可变动的空间就非常小﹐一般方式仅能找出噪声小的接地处用较粗的地线连接﹐减低共模(Common mode)噪声。屏蔽所牵涉的材质与花费亦甚高﹐滤波的方式则是常可见Bead电感等﹐往往用了一大堆亦不甚见效﹐何以如此﹐许多时候是我们没有解决其辐射的天线效应。一般而言﹐噪声的能量并不会因加一些对策组件便消失﹐也就是能量不减﹐我们所要做的工作是如何避免噪声辐射到空间(辐射测试)或由电源传出(传导测试)。
  在此我们整理了产生辐射常见的几种情形供读者参考。
  (1)机器外部连接之电缆成为辐射天线
  由于机器本身外部所连接的电缆成为天线效应﹐将噪声辐射到空间﹐此时噪声的大小和电缆的长度有关﹐因电缆的天线效应相对于噪声半波长时共振情形会最大﹐也往往是造成EMI无法通过测试。在解决这个问题前必须要做一些判断﹐否则很容易疏忽而浪费时间。
  (a)噪声是由机器内部电路板或接地所产生
  此情形为将电缆取下﹐或加一Core则噪声减低或消失。此时必须做的一个步骤是将线靠近机器(不须直接连接)看噪声是否会存在﹐若噪声并没有升高﹐则可确实判定由机器内部产生﹐若将电缆靠近而干扰噪声马上升高﹐由此时请参考(b)的说明。
  (b)噪声是由机器内部耦合到电缆线上﹐而使电缆成为辐射天线。
  这一点是许多测试工程师容易忽略的。此情形如(a)中所提到的﹐只要将一条电缆靠近﹐则可从频谱上看到噪声立刻升高﹐此表示噪声已不单纯是由线上所辐射出﹐而是机器本身的噪声能量相当大﹐一旦有天线靠近则立刻会耦合至天线而辐射出来。在实际测试中﹐我们发现许多通讯产品有这类情形发生﹐此时若单纯用Core或Bead去处理﹐并不能真正的解决问题。
  (2)机器内部的引线﹐连接线成为辐射天线
  由于许多产品内部常有一些电线彼此连接工作厅﹐当这些线靠近噪声源很容易成为天线﹐将噪声辐射出去。针对此点的判断﹐在200MHz以下之噪声﹐我们可以在线上加一Core来判断噪声是否减低﹐而对于200MHz以上之高频噪声﹐我们可以将线的位置做前后左右的移动﹐看噪声是否会增大或减小。
  (3)电路板上的布线成为辐射天线
  由于走线太长或靠近噪声源而本身被耦合成为发射天线﹐此种情形当外部电缆都取下﹐而仅剩电路板时﹐在频谱仪上可看见噪声依然存在﹐此时可用探棒测量电路板噪声最强的地方﹐找到辐射的问题加以解决。关于探测的工具及方法﹐将于后详细说明。
  (4)电路板上的组件成为辐射来源
  由于所使用的IC或CPU本身在运作时产生很大的辐射﹐使得EMI测试无法通过﹐卵石种情往往在经过(1)﹑(2)﹑(3)的分析后噪声依然存在﹐通常解决的方法不外换一个类似的组件﹐看EMI特性是否会好一些。另外就是电路板重新布线时﹐将其摆放于影响最小的位置﹐也就是附近没有I/O Port及连接线等经过﹐当然若情况允许﹐将整个组件用金属外壳包覆(Shielding)也是一种快速有效的方法。
  由以上的分析介绍我们可以了解﹐造成电磁干扰辐射最关键的地方就是电线的问题﹐当有了适当的天线条件存在很容易就产生干扰﹐另外电源线往往亦是造成天线效应的主因﹐这是在许EMI对策中最容易疏忽的。
   步骤三
  电源线无法移去﹐可在其上夹Core或水平垂直摆动﹐看噪声是否有减小或变化。若产品有电池设备则可取下电源线判断﹐如Notebook PC等。
  (说明)
  如前所述电源线往往是会成为辐射天线﹐尤其是Desktop PC类产品﹐往往300MHz以上的噪声会由空间耦合到电源线上﹐所以判断产品的电源线是否受到感染是必须的步骤。由于噪声频带的影响﹐对200MHz以下可用加Core的方式(可一次多加数个)判断﹐对于200MHz以上的噪声﹐由于此时Core的作用不大﹐可将电源线水平摆放和垂直摆放﹐看干扰噪声是否有差别﹐若水平和垂直有很明显的差别﹐则可一边摆动电源线一边看频谱仪(Spectrum)上噪声之大小有否变化﹐如此便可知道电源线有否干扰。
  至于若发现电源线会产生辐射时如何解决﹐一般皆不好处理﹐通常先想办法使机器内的噪声减小﹐以避免电源线的二次辐射﹐而使用Shielded线一般对辐射的影响并不大﹐故换一条不同长度的电源线﹐有时也会有很好的效果。
  由这一点我们可知道﹐除了要使可册产生辐射噪声的组件远离I/O Port外﹐其也须尽量远离电源线及Switching power supply的板子﹐以免耦合到电源线上使得辐射及传导皆无法通过测试。
  步骤四
  检查电缆接头端的接地螺丝是否旋紧及外端接地是否良好。
  (说明)
  依前三项方式大略找了一下问题后﹐我们必须再做一些检查﹐因为透过这些检查﹐也许不须做任何修改﹐便可通过EMI测试。例如检查电缆端的螺丝是否锁紧﹐有时将松掉的螺丝上紧﹐可加强电缆线的屏蔽效果。另外可检查看看机器外接的Connector的接地是否良好﹐若外壳为金属而有喷漆﹐则可考虑将Connector处的喷漆刮掉﹐使其接地效果较佳。另外若使用Shielded的电缆线﹐必须检查接头端处外覆的金属纲是否和其铁盖密合﹐许多不佳的屏蔽线(RS232)多因线接头的外覆屏蔽金属纲未册和连接端的地密合﹐以致无法充份达到屏蔽的效果。
  各种接头如Keyboard及Power supply常常由于接头的插头与机器上的插座间的密合度不好﹐影响了干扰噪声的辐射。检查的方式可将接头拔掉看噪声是否减小﹐减小表示两种册可﹐一为线上本身辐射干扰﹐另一为接头间接触不好﹐此时插上接头﹐用手销微将接头端左右摇动﹐看噪声是否会减小或消失﹐若会减小可将Keyboard或Power supply的连接头﹐用铜箔胶带贴一圈﹐以增加其和机器接头的密合度﹐这一点也是实测上很容易被疏忽﹐而会误判机器的EMI为何每次测时好时坏﹐或花许多时间在其它的对策上面。
 

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