排查EMI问题的实用性技巧

全世界几乎所有政府都在尝试控制他们国家生产的电子产品产生的有害电磁干扰(EMI)(见图1)。为了向用户提供一定的保护和安全等级，政府都会制订涉及电子产品设计的非常特殊的一些规则和规定。

当然这是好事。但这也意味着为了尽量减少他们的EMI特征并通过官方的EMI认证测试，许多公司必须在产品设计和测试方面花费大量的人力物力。坏消息是，即使采用了好的设计原理、选择了高质量的元件并且仔细地表征了产品，当进行一致性测试时，如果测试并不是所有阶段都进展顺利，那么EMI故障仍有可能影响到产品的发布日程。

通常公司为了避免这样的情景出现，会在设计和原型建立阶段做一些“预先的一致性”测量。更好的做法是在产品发出去做一致性测试之前就能够确定和修复潜在的EMI问题。

当然，大多数公司的实验室并不具备做绝对EMI测量所需的测试室条件。好消息是，无需复制测试室条件就确定和解决EMI问题是完全可行的。本文讨论的一些技术可以帮助你减少一个产品在测试室进行最终完整的EMC一致性评估时失败的风险。本文还举了一个确定信号特征和一致性以便找出EMI发射源的例子。


图1：信号中不断变化的电压和电流会产生电磁场。

理解EMI报告

在讨论排查技术之前，介绍一下EMI测试报告是很有必要的。乍一看，EMI报告似乎直接提供了有关特定频率点故障的信息，因此事情看起来很简单，就是使用报告中的数据确定设计中的哪个元件包含问题源频率，并特别加以注意，以便通过下一轮测试。然而，虽然许多测试条件在报告中是明确表示的，但一些需要考虑的重要事情可能并不那么明显。在审查设计并试图判断问题源时，理解测试室如何生成这种报告是很有帮助的。

请看图2所示的EMI测试报告，这份报告显示大约90MHz处有个故障。


图2：这份EMI测试报告显示大约90MHz处有个故障。

图3是对应的列表数据报告，其中详细列出了测试频率、测量得到的幅度、校准后的校正因子以及调整后的场强。然后将调整后的场强与下一栏中的指标进行比较，确定余量或超额量，显示在最右栏。

在图3所示的余量栏中，你可以看到有一个峰值超出了这个规范标准在88.7291MHz处规定的极限，与规范相差-2.3。


图3：这个列表数据对应的是图2，它显示故障点位于88.7291MHz处，但有许多因素令人怀疑这是否是实际的频率。

你完工了，是吗？不，没这么快。不要让所有这些数字让你相信这是问题EMI源的精确频率。事实上，测试报告中给出的频率很有可能不是实际的源频率。国际无线电干扰特别委员会(CISPR)指出，在执行辐射发射测试时，依据具体的频率范围必须使用不同的测试方法。每种范围要求特定分辨率带宽的滤波器和检测器类型，如表1所示。滤波器带宽决定了解析实际感兴趣频率的能力；这意味着频率范围在排查问题源好多方面会有变化。

表1：CISPR测试要求根据不同频率范围而有所变化，并影响频率分辨率。


这里需要着重指出的是，对某些频率范围，CISPR测试要求提倡使用准峰值(QP)这种检测器类型，这将掩盖实际频率。通常EMI部门或外部实验室一开始是使用简单的峰值检测器执行扫描来发现问题区域的。但当所发现的信号超过或接近规定极限时，他们也执行准峰值测量。准峰值是EMI测量标准定义的一种方法，用来检测信号包络的加权峰值。它根据信号的持续时间和重复率对信号进行加权，以便对从广播角度看解释为“骚扰”的信号施加更多的权重。与不频发的脉冲相比，发生频率更高的信号将导致更高的准峰值测量结果。换句话说，问题信号发生的越频繁，问题信号的绝对幅度就越可能被准峰值测量所屏蔽。

好消息是，峰值和准峰值扫描对预先一致性测试来说仍然是有用的。图4给出了一个峰值和准峰值检测的例子。图中显示了峰值检测和准峰值检测中都能看到的脉宽为8μs、重复率为10ms的信号。结果准峰值的检测结果比峰值低了10.1dB。


图4：峰值检测和准峰值检测的比较。

需要记住的一个好规则是，准峰值检测值总是小于或等于峰值检测值，永远不会大于峰值检测值。因此你可以使用峰值检测来开展你的EMI排查和诊断。你不需要达到与EMI部门或实验室扫描同等程度的精度，因为测量都是相对值。如果你的实验室报告中的准峰值检测值表明，设计超过了3dB，峰值检测值超过了6dB，那么你就知道你需要的修复工作是将信号减小3dB或更多。

测试室为出EMI报告而开展的扫描通常是在特殊条件下进行的，你的公司实验室也许无法复制这些条件。举例来说，待测设备(DUT)可能放在一个转盘上，以便于从多个角度收集信号。这种方位角信息是很有用的，因为它能指示问题发生的DUT区域。或者EMI测试室可能在校准过的射频房内开展他们的测量，并报告作为强场的测量结果。

幸运的是，你并不需要完全复制测试室的条件才能排查EMI测试故障。与在高度受控的EMI测试线上执行的绝对测量不同，可以使用测试报告中的信息、深入理解用于产生报告的测量技术以及对待测设备周边的相对观察以隔离问题源并估计纠正有效性来开展问题的排查工作。