当产品在EMC 实验室测试不通过时怎办

产品在EMC 实验室一定会有Fail 的情况,这是命中注定的。不管说设计者是不是已经在设计阶段选用EMI的抑制措施,时常还是会有失控情况发生。举例来说, 由供应商手中买进子系统装在我们的产品里面。这个子系统在别的系统里都很正常, 但是装到我们的产品中就出状况了。或是说屏蔽机壳没有如计划般的『紧密』, 等等。一连串无穷尽的事情都可能出错, 为了要让测试阶段有效率, 实验室的工 程师必须要很快的找到问题的根本原因,并且提出解决方案。 此章之目的是提供一些方法以协助工程师找到辐射之成因。要描述出一个 『step-by-step』的测试步骤以解决所有的问题是绝不可能的。每个问题都是不同 的,并且要在特定之环境下才能找到。不过还是可以有个一般性的起始程序。 一般性的测试程序需要让EMC 工程师成为一个侦探。第一个问题永远都应该是 『这个信号是从哪来的?』。第二个问题应该是『它是如何跑出屏蔽机盒的?』。 将此两个问题当作是你的基本策略,可以让你在测试实验室少待一点时间。从另 一方面来说,没事随机的加一些ferrite beads、铜箔胶带、滤波电容,是让你长期待在实验室的绝佳方法,并且会增加不必要的产品成本。
信号从哪来? 不幸的是,一些有经验的工程师在处理不通过之产品时,往往会忽略这个问题。 然而,如果说你知道信号是从哪里来的,就较可以来追踪其耦合至机壳外的路径,然后决定最佳的解决方案。频率(clock)以及数据信号(data signal)是为最可能的来源。所以,系统中的频率频 率以及数据率(以及其谐波)是多少?这些频率是不是吻合于问题之频率点?要记得,100Mb/s 数据率的基频是50MHz,并且是每50MHz 一根谐波。频谱分析仪的显示有没有提供任何之其他讯息?例如说,一个通常使用来降低时 脉辐射的方法,是使用称之为『展频spread spectrum』之频率信号。此方式将时 脉信号之基频以及其谐波『频率调变』(典型上对基频1%的调变)。在频谱分析 仪上显示的图形就会明显的降低注以及散开。因此其名称才叫做『展频』。此一简单的频率调变形式与通信上之展频通信是无关的。
如果在频谱分析仪上显示的信号是展开的辐射样式,则其来源就应该是启动了展频功能的频率信号。注意力就应该集中到这些相关的信号以及其布线,而不要管 其他的信号。反之亦然。亦即,若是频谱仪显示的信号是窄频(narrow)而不是散开的,则就可以不要管展频的频率信号。另一种可能在频谱分析仪上看到的信号,可能不像是窄频信号之谐波也不像是展 频信号。来自于数据信号的辐射通常都是随机的数据丛集。所以,了解这些辐射的来源可以让工程师直接排除板子上不相关的信号。

信号是如何跑出屏蔽机壳的?

一旦对于信号之来源有些概念,就可以开始来看说信号是如何跑到机壳外面去。第一个线索就是来查看当移动或移除各种缆线时,辐射强度是否有很大的影响。大多数产品之屏蔽机壳实质上来说都很小,所以其本身不会是个有效的辐射器。当把各式之缆线加到产品上时,这些缆线就会让此一产品在电气上大了很多,并且变成是较有效的辐射器。信号要从屏蔽机壳出去只有三种方法:
1. 由孔洞、开口、缝隙泄漏出去。
2. 经由机壳屏蔽传导到缆线以及未屏蔽的线 !
3. 由不理想的屏蔽缆线接触泄漏至机壳
如果信号是由于上述原因溢出屏蔽机壳,移动缆线就会改变辐射之振幅。

第一项由孔洞、开口、缝隙泄漏出去
一个常用的测试方法是使用近场磁场探棒在机壳边缘侦测。此方法通常可以协助指出造成辐射之开口,但是通常也可能找到并非真正造成问题的位置。事实上, 此测试通常会指出某个封闭的金属角落或是封闭平面的中心点是泄漏的源头。这些错误的指示是因为近场探棒的工作原理所致,也就是说,它所量测的是电流在金属表面造成之磁场。一旦说信号从开口泄漏出去(不论开口在哪里),如果此结构是适合的大小,就可能产生一个与实体大小有关联的共振状况,信号辐射就会增强。此共振会造成在结构上之RF 电流,其电流之峰值位置是由辐射之波长所控制,而与实际之泄漏位置不太相关。此种行为与非中央馈入式耦极天线 (non-center fed dipole)很像。当频率在半波耦极之共振点时,最大之电流会是在天线之中央位置,与实际之信号馈入点无关。使用接触式之电压探针是较好之方式。一个简单的探针,使用同轴线(semi-rigid coax), 将中央导体凸出来,而外围导体则延伸至与中央导体同一位置点。这样可以简单的量测横过缝隙的电压(电场)。简单的这种探针可以在需要的时候以标准同轴线很快的作出来。
要使用此一探针,将频谱分析仪调整到所感兴趣的频率,然后将探针跨越所要量测的各个孔洞位置。可以很快的量测到在该孔洞信号泄漏的最大值,铜箔胶带可以用来暂时的贴在孔隙上,以验证是否可以得到改善。如果此一有问题的信号无法在任何的缝隙或孔洞上发现,或是如果使用铜箔胶带无法大量的降低辐射值, 则此一信号可能就是由别的方式溢出机壳。如果发现某一缝隙有很高程度的泄漏,则可以使用导电泡棉,或是对辐射之源头加以适当的滤波方式。经由机壳屏蔽传导到缆线以及未屏蔽的线非屏蔽在线之非意图信号是一个常见的辐射成因。把导线拆掉或是移动位置,可以看出来哪些导线要负责任。如前节所述,将导线拆掉可能会造成辐射强度之重大变化,是因为改变了辐射天线之效能,而不是因为将辐射源头移除了。前节所述之电压探针也可以用来协助分辨哪一个连接器是泄漏的源头。可以将导线移除,或是可以将导线留下但是将导线之外绝缘皮剥掉,露出其中心导体。用电压探针来测量导线之导体(或连接器之接脚)与屏蔽机壳间之电压。注意:要小心确认在I/O 连接器上之意图或非意图信号的DC 电压,是否太高,以避免损伤到频谱分析仪之输入端。随着噪声跑到连接器接脚之原因不同,会看到不同的结果。通常,此信号为共模信号,而所有的接脚的噪声信号都是一样的能量强度。然而,并非都是如此,其中之一条导体的噪声能量(或是数条)可能比其他之导体都要强很多。要记得,辐射并不会去读电路图说哪一些接脚标记为『接地脚』。即使是『接地脚』都可能会有噪声能量,视其如何连接到机壳屏蔽。机壳屏蔽是外部导线对于共模信号之最终接地参考点。在I/O 导线以及屏蔽机壳间之共模噪声电压,推动该导线如同一个『奇形耦极天线odd-shaped dipole antenna』一般。一旦找出了泄漏之接脚,可以对这些布线加上滤波器,或是在噪声之源头加滤波器。

由不理想的屏蔽缆线接触泄漏至机壳.
大家都知道缆线的屏蔽应该要是360 度,并且此屏蔽也要用360 度之方式连接到机壳,但除了在军事用途以外很少这样做。缆线屏蔽可能是缠绕的箔片或是编织的金属线,或是组合来用。由缆线屏蔽连接到机壳屏蔽之质量也大有差异。最简单(最便宜)的方式使用一条导线接触到缆线屏蔽之箔片或编织网,然后连接到机壳连接器上之接地脚。较强壮的方式是使用金属连接器之外壳挤压到缆线之屏蔽,然后此外壳再接触到机壳上之连接头。不管使用哪些种类的方式,在缆线屏蔽与系统机壳间必须要低阻抗以避免辐射之发生。下图显示在一典型之缆线屏蔽附接到系统机壳状况下之电流流动。此电流可能是来自于意图或是非意图信号。电流传导在内部导体上。我们希望回返电流只在缆线屏蔽之内部流动。如果回返电流被限制在缆线屏蔽之内部,则不会有泄漏(从此缆线)发生,也不会有辐射问题。如果在缆线屏蔽与机壳间之连接不是低阻抗,则电流在此阻抗上流过就会产生电压。再一次的,前面讲过的电压探针可以用来找寻哪一个缆线屏蔽是泄漏的源头。用此探针来量测缆线屏蔽与机壳间之电压。一旦找到了泄漏的缆线屏蔽连接端,可以改进其连接方式,或是可以将信号在源头处适当的滤波。

案例一,频率信号由接缝泄漏
假设在PC 板某处有一个频率信号源,而由一个机壳之缝隙泄漏出去。如果辐射
之频率为频率基频之第七次谐波或更高的谐波,通常最好的解决方式是在意图信号上加滤波器。如果系统之运作确实需要快速的上升时间注,或是说此一有问题的频率的确是必要的较低阶谐波,则在源头加滤波器就不太适宜了。频率信号传递到泄漏缝隙的方式有很多种。最可能的方式是信号在机壳内辐射, 然后再由开孔泄漏出去。经过缝隙附近的一条内部缆线或电线也可能会造成缝隙之泄漏。有时候移动内部缆线的位置就可以降低辐射的强度(如果这是部分原因的话)。频率信号可能会耦合到其他的信号导体而进入到内部缆线然后辐射出去。一旦找到了耦合的机制,就可以加以控制。有许多可能的耦合路径,无法在这里一一的描述。
案例二,频率信号由未屏蔽之缆线泄漏
如前所述之源头端加滤波方式还是可以使用。然而,在此案例,频率信号是藉由一个非屏蔽缆线传递到机壳之外。频率信号适一个非意图信号,因为我们根本就不希望它在那条导线上出现。能量可能由频率布线直接耦合到I/O 之布线,或经由另一个导体。能量可能在机壳内辐射然后耦合到I/O 连接器以及/或是布线。同时,如前面之例子,内部缆线可能作为将非意图信号由其源头传递到I/O 连接器之一条路径。

结论

在实验室中并没有按部就班的指导准则可让我们用来解决EMC 问题。不过,有一些一般性的原则可以协助来减少花费的时间。随机的应用铜箔胶带、ferrite beads、以及滤波器并不是最容易或最快的解决问题方法。了解信号从哪里来是很重要的。通常,信号可以在其源头就控制住,那就不会造成系统信号泄漏的问题,因为噪声信号的来源已经没有了。如果无法在于源头处控制,那就要来了解信号是如何由机壳中泄漏出去的。简单的电压探针在此方面是最有效的分析工具,因为它消除了近场探针可能的误导。此种接触式之电压探 针可以用来确认造成泄漏之机壳缝隙、缆在线的非意图信号、以及屏蔽缆线之不当连接方式。最后,了解在信号源头以及泄漏点间耦合之机制可以减少解决问题的时间。

楼主分析的不错。一般在实验室通常有两种方法去解决屏蔽，bead和电容
通常情况下PCB layout 做的不够好，才导致辐射测试失败。

凭我多年实验室经验，一般EMC不容易过的就是辐射骚扰和CE传导，传导一般的电源出了问题。辐射一般和线材也是有关系或者和周围的信号影响有关系。楼主，希望可以帮到你

我觉得静电和辐射最难

好贴啊，最近也在查找标准