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电磁(ci)干扰(EMI)问题诊断步骤|电磁兼容(EMC)整改步骤介绍:


前言
      文章总共5000多字,阅读完成需要5分钟左右,电磁干扰的观念与防制﹐在国内已逐渐受到重视。虽然目前国内并无严格管制电子产品的电磁干扰(EMI)﹐但由于欧美各国多已实施电磁干扰的要求﹐加上数字产品的普遍使用﹐对电磁干扰的要求已是刻不容缓的事情。笔者由于啊作的关系﹐经常遇到许多产品已完成成品设计﹐因无法通过EMI测试﹐而使设计工程师花费许多时间和精力投入EMI的修改﹐由于属于事后的补救﹐往往投入许多时间与金钱﹐甚而影响了产品上市的时机。

电磁兼容

1、EMI 设计要点
      很多初学者对于EMI设计都摸不著头脑,其实我当初也是一样,但是在做了几次设计以后,也逐渐有了一些体会。

      首先,对于大脑里(li)(li)面(mian)一(yi)定(ding)要(yao)清楚一(yi)个概念--在(zai)高频里(li)(li)面(mian),自由空(kong)间的(de)阻(zu)抗(kang)(kang)是377欧姆,对于一(yi)般(ban)的(de)EMI中的(de)空(kong)间辐(fu)射来(lai)说,是由于信号(hao)的(de)回路到了可以(yi)和空(kong)间阻(zu)抗(kang)(kang)相比(bi)拟的(de)地步(bu),因而信号(hao)通过空(kong)间“辐(fu)射”出来(lai)。瞭(liao)解了这一(yi)点,要(yao)做的(de)就是把(ba)信号(hao)回路的(de)阻(zu)抗(kang)(kang)降下来(lai)。


      控(kong)(kong)制(zhi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)回(hui)(hui)路的(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang),主要的(de)(de)(de)办法是(shi)(shi)缩短信(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)(de)(de)长(zhang)度,减少回(hui)(hui)路的(de)(de)(de)面(mian)(mian)(mian)(mian)积,其次是(shi)(shi)採取合(he)理的(de)(de)(de)端接(jie),控(kong)(kong)制(zhi)回(hui)(hui)路的(de)(de)(de)反射。其实控(kong)(kong)制(zhi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)回(hui)(hui)路的(de)(de)(de)一个简单的(de)(de)(de)办法就是(shi)(shi)对重点信(xin)(xin)号(hao)(hao)进(jin)行包(bao)(bao)地(di)处理(在两边(bian)近的(de)(de)(de)距离走(zou)地(di)线(xian),尤其是(shi)(shi)双(shuang)面(mian)(mian)(mian)(mian)板要特别注意,因为(wei)双(shuang)面(mian)(mian)(mian)(mian)微带模型(xing)阻(zu)抗(kang)有150欧(ou)(ou)姆,和自由(you)空间布相上下(xia),而包(bao)(bao)地(di)可(ke)以(yi)(yi)提供几十欧(ou)(ou)姆的(de)(de)(de)阻(zu)抗(kang)),请(qing)注意由(you)于走(zou)线(xian)本身(shen)在高频里(li)面(mian)(mian)(mian)(mian)也是(shi)(shi)有阻(zu)抗(kang)的(de)(de)(de),所以(yi)(yi)好採用地(di)平面(mian)(mian)(mian)(mian)或者地(di)线(xian)多次接(jie)过孔到地(di)平面(mian)(mian)(mian)(mian)。我很多的(de)(de)(de)设计都是(shi)(shi)在採用包(bao)(bao)地(di)以(yi)(yi)后,避免了时钟信(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)(de)(de)辐射超标(biao)。

EMI电磁干扰

      另外就是要避免信号(hao)穿越被分割的区域,很多工(gong)程师信号(hao)对地进行分割,但有时(shi)候又忘记了,把(ba)线布过了这些区域,结(jie)果造成(cheng)信号(hao)回(hui)路绕过很大的区域,无(wu)形中增(zeng)加了佈线长(zhang)度。


      对于(yu)EMI传导的(de)部分(fen),重点是要(yao)用好旁路电(dian)容(rong)(rong)和(he)去(qu)藕电(dian)容(rong)(rong)。旁路电(dian)容(rong)(rong)(提供(gong)一条(tiao)交流短路线(xian)(xian)(xian))一定要(yao)以(yi)短的(de)连线(xian)(xian)(xian)佈置(zhi)在(zai)晶片电(dian)源管脚和(he)地线(xian)(xian)(xian)(平面)上(shang)。去(qu)藕电(dian)容(rong)(rong)要(yao)放在(zai)电(dian)流需求变化(hua)大(da)的(de)地方(fang),避免(mian)因为走线(xian)(xian)(xian)的(de)阻抗(电(dian)感(gan)),让杂(za)讯从(cong)电(dian)源和(he)地线(xian)(xian)(xian)上(shang)藕合出去(qu)。当然,合理串联(lian)使用磁珠,可以(yi)“吸收”(转换成热能(neng))这些杂(za)讯。电(dian)感(gan)有(you)时也可以(yi)用来滤除杂(za)讯,但(dan)是请注意电(dian)感(gan)本身也是有(you)频(pin)率响(xiang)应范围的(de),而且(qie)封装也决定其频(pin)率响(xiang)应……


      以上是(shi)一些基(ji)本的(de)体会,对于EMI设(she)(she)计来说,需(xu)要你(ni)真(zhen)正瞭解(jie)你(ni)自己的(de)设(she)(she)计,什(shen)麽(mo)地(di)方(fang)需(xu)要重(zhong)点照顾,什(shen)麽(mo)地(di)方(fang)出了问题会是(shi)什(shen)麽(mo)样(yang)的(de)现(xian)象,备选方(fang)案是(shi)什(shen)麽(mo),都需(xu)要预先整(zheng)理好。


2.干扰正确的诊断
      要解决产品上的EMI问题﹐若能在产品设计之初便加以考虑﹐则可以节省事后再投入许多时间与金钱。由于目前EMI Design-in的观念并不是十分普遍﹐而且由于事先的规划并不能保证其成品可以完全符合电磁干扰的测试在﹐所以如何正确的诊断EMI问题﹐对于设计工程师及EMI工程师是非常重要的。


      事实上(shang)﹐J9九游会AG 如果(guo)把(ba)EMI当做一(yi)种疾病﹐当然平(ping)时(shi)的(de)(de)预(yu)防保养(yang)是很重要(yao)的(de)(de)﹐而(er)一(yi)旦有疾病则(ze)正确(que)的(de)(de)诊(zhen)断(duan)﹐才能得到快(kuai)速的(de)(de)痊愈﹐没有正确(que)的(de)(de)诊(zhen)断(duan)﹐找不到病症的(de)(de)源头﹐往(wang)往(wang)事倍功(gong)半(ban)而(er)拖延费时(shi)。故在(zai)EMI的(de)(de)问题上(shang)﹐常常看到一(yi)个EMI有问题的(de)(de)产品(pin)﹐由(you)于未能找到造成EMI问题的(de)(de)关(guan)键(jian)﹐花了许多(duo)时(shi)间﹐下了许多(duo)对策﹐却始终无(wu)法解决﹐其中亦不乏专(zhuan)业(ye)的(de)(de)EMI工程师。以往(wang)谈到EMI往(wang)往(wang)强(qiang)调对策方法﹐甚而(er)视(shi)许多(duo)对策秘决或绝招﹐然而(er)没有正确(que)的(de)(de)诊(zhen)断(duan)﹐而(er)在(zai)产品(pin)上(shang)加了一(yi)大堆(dui)EMI抑制组件(jian)﹐其结(jie)果(guo)往(wang)往(wang)只(zhi)会(hui)使EMI情况更(geng)糟。

EMI设计

      笔者起(qi)初(chu)接触产(chan)品EMI对(dui)(dui)策修改时﹐会听(ting)到(dao)资深(shen)EMI工(gong)程师说把所有EMI对(dui)(dui)策拿掉(diao)﹐就可以通过测试。初(chu)听(ting)以为是句玩笑话﹐如(ru)今(jin)回想这是很(hen)宝贵的经验(yan)谈(tan)。而后(hou)亦听(ting)到(dao)许多EMI工(gong)程师谈(tan)到(dao)类(lei)似的经验(yan)。本文中(zhong)将举出实际的例子﹐让(rang)读(du)者更加了解EMI的对(dui)(dui)策观念。


      一(yi)(yi)般提到如何解决EMI问(wen)题﹐大多说是case by case,当然从(cong)对策(ce)上而言﹐每一(yi)(yi)个产品的特性及电路板布线(layout)情况不同(tong)﹐故无法用几套(tao)方法而解决所(suo)有EMI的问(wen)题﹐但是长久(jiu)以来﹐J9九游会AG 一(yi)(yi)直想要把(ba)处理(li)(li)EMI问(wen)题并做适当的对策(ce)﹐另外也提供专业(ye)的EMI工程师一(yi)(yi)种参考方法。在此J9九游会AG 把(ba)电磁(ci)干扰与对策(ce)的一(yi)(yi)些(xie)心得经(jing)验整理(li)(li)﹐希望(wang)能对读者有些(xie)帮助。


3.EMI初步诊断步骤
     J9九游会AG 提出一套EMI诊断上的参考骤﹐希望用有系统的方式﹐快速的找出EMI的问题。J9九游会AG 并不淮备探讨一些理论计算或公式推演﹐将从实务上说明。
     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﹐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﹐J9九游会AG 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。


      J9九游会AG 将初步(bu)(bu)的(de)诊断步(bu)(bu)骤详(xiang)列于下(xia)﹐并加以说明其关(guan)键(jian)点﹐这(zhei)些步(bu)(bu)骤看来似乎非(fei)常平凡简单﹐不像(xiang)介绍对(dui)策(ce)方法各种理(li)论秘籍绝招(zhao)层(ceng)出不穷(qiong)﹐变化奥妙。其实﹐许多资(zi)深EMI工程(cheng)师(shi)在其对(dui)策(ce)处理(li)时(shi)﹐大(da)部份的(de)时(shi)间都(dou)在重(zhong)复这(zhei)些步(bu)(bu)骤与判断。笔者要(yao)再(zai)次强调﹐只有(you)真正找(zhao)到造(zao)成(cheng)EMI问题的(de)关(guan)键(jian)﹐才是解决EMI的(de)佳途(tu)径﹐若仅(jin)凭理(li)论推测或经验(yan)判断﹐有(you)时(shi)反而(er)会花费更多的(de)时(shi)间和精力。

EMC测试

电磁兼容(EMC)整改步骤一:
将桌子转到待测(EUT)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。
      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大的情况。同样地﹐当J9九游会AG 发现无法通过测试时﹐首先J9九游会AG 先将天线位置移到噪声接收大高度﹐然后将桌子转到差角度﹐此时J9九游会AG 知道在EUT面对天线的这一面辐射强﹐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(xu)注意的(de)(de)(de)是(shi)(shi)要关掉EUT的(de)(de)(de)电(dian)源(yuan)﹐看噪(zao)声是(shi)(shi)否(fou)存(cun)在﹐以确(que)定噪(zao)声确(que)实是(shi)(shi)由(you)EUT所(suo)(suo)产(chan)(chan)生。曾见(jian)测(ce)试(shi)(shi)Monitor一(yi)直无(wu)法解决某一(yi)点的(de)(de)(de)干扰﹐结果其噪(zao)声是(shi)(shi)由(you)PC所(suo)(suo)造成(cheng)而(er)非Monitor的(de)(de)(de)问(wen)题﹐亦有在OPEN SITE测(ce)试(shi)(shi)Monitor发现某几点无(wu)法通(tong)过﹐由(you)测(ce)试(shi)(shi)接收仪器的(de)(de)(de)声音判断应是(shi)(shi)Monitor产(chan)(chan)生﹐结果关掉电(dian)源(yuan)发现噪(zao)声依然存(cun)在﹐所(suo)(suo)以关掉EUT电(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)步骤是(shi)(shi)必(bi)须(xu)的(de)(de)(de)﹐而(er)且通(tong)常容易被忽略(lve)。


电磁兼容(EMC)整改步骤二 :
      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,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﹐J9九游会AG 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﹐重要的查破坏产生辐射的条件----天线。


      以往(wang)(wang)J9九游会AG 常看(kan)到谈EMI对策离不开(kai)屏蔽(Shielding),滤波(Filter),接地(di)(Grounding)﹐对于接地(di)往(wang)(wang)往(wang)(wang)一块电(dian)路板(ban)多(duo)已固(gu)定﹐而无法(fa)再做处理(li)﹐因为这一部份在电(dian)路板(ban)布线(Layout)时就(jiu)须仔细考虑﹐若板(ban)子已完成(cheng)则此时可变动的(de)(de)空间(jian)就(jiu)非(fei)常小﹐一般方式仅能找出噪声(sheng)小的(de)(de)接地(di)处用(yong)较粗的(de)(de)地(di)线连接﹐减低共模(Common mode)噪声(sheng)。

EMC屏蔽

      屏蔽所(suo)牵涉的(de)材质与(yu)花费亦(yi)甚(shen)(shen)高﹐滤波的(de)方式则是(shi)常可见Bead电感等﹐往往用了(le)一大堆亦(yi)不甚(shen)(shen)见效﹐何(he)以如此﹐许多时候是(shi)J9九游会AG 没有解决其辐(fu)射(she)的(de)天线效应。一般(ban)而言﹐噪声(sheng)的(de)能量(liang)并不会(hui)因(yin)加一些对策组件便(bian)消失﹐也(ye)就是(shi)能量(liang)不减﹐ J9九游会AG 所(suo)要做的(de)工作是(shi)如何(he)避免噪声(sheng)辐(fu)射(she)到空间(辐(fu)射(she)测试(shi))或(huo)由电源传(chuan)出(传(chuan)导测试(shi))。


在此J9九游会AG 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(nei)部藕合到电缆线(xian)上﹐而使(shi)电缆成为辐射天线(xian)。


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藕合至天线而辐射出来。在实际测试中﹐J9九游会AG 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﹐J9九游会AG 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﹐J9九游会AG 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藕合成为发射天线﹐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。

EMC辐射

 (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(yi)上的(de)(de)分析介(jie)绍J9九游会AG 可(ke)以(yi)了(le)解﹐造成电磁干(gan)扰辐(fu)射关键(jian)的(de)(de)地(di)方就是(shi)电线的(de)(de)问题(ti)﹐当有了(le)适当的(de)(de)天线条件存在很容易就产(chan)生干(gan)扰﹐另外电源线往往亦(yi)是(shi)造成天线效应的(de)(de)主因(yin) ﹐这是(shi)在许EMI对策中容易疏忽的(de)(de)。


电磁兼容(EMC)整改步骤三:
 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。

      如前所述电(dian)源线(xian)往(wang)往(wang)是(shi)(shi)(shi)会成为辐射天线(xian)﹐尤其是(shi)(shi)(shi)Desktop PC类产品(pin)﹐往(wang)往(wang)300MHz以上(shang)的(de)(de)噪(zao)声会由(you)空间藕合到电(dian)源线(xian)上(shang)﹐所以判断产品(pin)的(de)(de)电(dian)源线(xian)是(shi)(shi)(shi)否(fou)受(shou)到感染是(shi)(shi)(shi)必须的(de)(de)步骤。由(you)于噪(zao)声频带(dai)的(de)(de)影响(xiang)﹐对(dui)200MHz以下可(ke)(ke)用加Core的(de)(de)方式(可(ke)(ke)一次(ci)多加数个)判断﹐对(dui)于200MHz以上(shang)的(de)(de)噪(zao)声﹐由(you)于此时Core的(de)(de)作用不大﹐可(ke)(ke)将电(dian)源线(xian)水(shui)平(ping)摆放和垂直摆放﹐看干(gan)(gan)扰(rao)噪(zao)声是(shi)(shi)(shi)否(fou)有(you)(you)差(cha)别(bie)﹐若水(shui)平(ping)和垂直有(you)(you)很(hen)明显(xian)的(de)(de)差(cha)别(bie)﹐则(ze)可(ke)(ke)一边摆动电(dian)源线(xian)一边看频谱仪(Spectrum)上(shang)噪(zao)声之大小有(you)(you)否(fou)变化(hua)﹐如此便可(ke)(ke)知(zhi)道电(dian)源线(xian)有(you)(you)否(fou)干(gan)(gan)扰(rao)。


      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J9九游会AG 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﹐以免藕合到电源线上使得辐射及传导皆无法通过测试。


电磁兼容(EMC)整改步骤四:
       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,依前三项方式大略找了一下问题后﹐J9九游会AG 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(zhong)(zhong)接(jie)(jie)头如Keyboard及Power supply常常由(you)于接(jie)(jie)头的(de)(de)插(cha)头与机(ji)器(qi)上的(de)(de)插(cha)座间(jian)的(de)(de)密(mi)合度不好(hao)﹐影响了干(gan)扰噪(zao)声的(de)(de)辐射。检(jian)查的(de)(de)方式可将(jiang)接(jie)(jie)头拔掉看(kan)噪(zao)声是否减(jian)(jian)小(xiao)﹐减(jian)(jian)小(xiao)表示两种(zhong)(zhong)册可﹐一为线上本(ben)身(shen)辐射干(gan)扰﹐另一为接(jie)(jie)头间(jian)接(jie)(jie)触不好(hao)﹐此时(shi)插(cha)上接(jie)(jie)头﹐用手销微(wei)将(jiang)接(jie)(jie)头端左右摇动﹐看(kan)噪(zao)声是否会(hui)减(jian)(jian)小(xiao)或(huo)(huo)消失﹐若(ruo)会(hui)减(jian)(jian)小(xiao)可将(jiang)Keyboard或(huo)(huo)Power supply的(de)(de)连接(jie)(jie)头﹐用铜箔胶带贴(tie)一圈﹐以(yi)增加其和机(ji)器(qi)接(jie)(jie)头的(de)(de)密(mi)合度﹐这(zhei)一点也(ye)是实测上很容易被疏(shu)忽﹐而会(hui)误判(pan)机(ji)器(qi)的(de)(de)EMI为何每次测时(shi)好(hao)时(shi)坏﹐或(huo)(huo)花许多时(shi)间(jian)在其它(ta)的(de)(de)对(dui)策上面。