探頭和電流探頭進行EMI干擾排查

簡介
在開發電子產品的過程中，電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）是工程師們不得不考慮的問題。電磁干擾（EMI）可能會導致許多問題，尤其是在產品開發階段或產品驗收階段。如果電路設計受到電磁干擾的影響，可能會出現亂碼顯示，數據接觸不良或者是其他線路故障。為了限度地減少電磁干擾的影響，各個國家的政府機構都制定并實施了針對各個產品類型的EM輸出的嚴苛標準，一般我們稱為電磁兼容性（EMC）測試。所有電子相關的產品在上市前必須強制性通過電磁兼容性測試。
許多EMC兼容測試失敗的原因主要來源于電路中的射頻能量泄漏和電路板設計本身的相互影響。引起這種干擾的電場和磁場肉眼是不可見的，并且當我們想要深究其原因以期能小化EMI影響時，往往會發現，問題是非常復雜的。

是什么導致了這個問題？
造成輻射干擾的信號或能量來源在哪里？
我該如何解決？
 
好在，我們可以通過一些簡單的工具和技術來幫助識別EMI干擾源。一旦確定了干擾源，我們就可以開始著手解決問題。那么怎么去找出干擾源呢？我們需要用到一種技術，這種技術不是嚴格意義上的標準EMC兼容測試，而是一種預測試，它可以幫助我們快速找到干擾源可能存在的地方，并且不需要昂貴的專業設備和實驗室裝置。
在本篇應用指南中，我們將介紹一些常用的預兼容測試相關的技術，例如使用近場探頭和電流探頭來查找可能的EMI泄漏源。此項技術可以快速地識別問題，有效地節約時間和經濟成本。此外，通過一些小小的家具，就可以創建出可重復的測試站來關聯數據，這些數據可以在你下一款產品進行EMC測試時提供很有價值的參考。
 
需要注意的是，預一致性測試旨在于幫助識別和解決可能會阻礙EMC認證的問題，并不能*替代認證實驗室的EMC合規測試。

2、電磁輻射基礎知識

電磁輻射常見的產生方式是導體中電流的突變或者電壓的驟升，輻射的路徑通過PCB走線，器件的引腳，連接器或者是其它的金屬介質，包括機箱，機架或者是產品的外殼。電磁輻射實際上是指電場和磁場的相互作用，相互影響。它常常被這樣描述：正交時變的電場和磁場的傳播，如下圖1 所示。

圖1 圖左上角是電磁波的傳播，注意，電場和磁場是互相正交的

圖2  由電流產生的磁場

和磁場不一樣，電場由移動或者靜止的電荷產生。因此，當在散熱片或金屬外殼等諸如此類導電體的表面上產生電磁輻射時，電場產生的輻射會居于主導地位。電場產生的影響也傾向于遠離源（遠場）。某些環境因素如無線電臺，wifi或者是人為的射頻干擾信號，都使得遠場測量更容易出現錯誤。遠場測量，比如說某個兼容測試中的信號發射部分的測量，要求測量者擁有比進行近場測量更復雜的設備和更豐富的知識。
 
通過測量由導體產生的電磁場的幅值和頻率，我們可以找出可能導致EMI干擾問題的區域。

3、設備清單

以下是一些用于近場故障排除的基礎設備清單：
頻譜儀/EMI接收機： 測量相對于頻率的RF功率。頻譜儀的輸入頻率應該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。

圖3 鼎陽的輸出頻率為2.1GHz的頻譜儀SSA3021X

近場探頭：購買或者手工自制。分為磁場近場探頭和電場近場探頭。
電流探頭：購買或自制。
50歐姆同軸線纜：使用與近場探頭和頻譜分析儀RF輸入口相匹配的線纜。如果需要的話，探頭，同軸線纜，連接器可以同時配套購買。
探頭：因為人類的肉眼無法直接看到電磁波，所以我們需要借助一些工具輔助測量。回想一下我們剛剛提到的，導體中的移動電荷產生輻射到整個空間的電磁場。我們可以通過測量電磁場功率值來衡量電路中的感應電壓，從而間接地測量出源電場的強度。在EMI故障排除的過程中，常用到的兩種探頭是近場探頭和電流鉗。
近場探頭和電流鉗具有類似的原理。 流過探針的“環路”區域的磁場會產生可測量的電壓（圖4）。環形區域越大，磁通量就越大，因此更適合尋找一些小信號。但是小的環形區域提供更好的空間分辨率（從而可以更地找到問題點）。許多測試工具中的探頭都有多種環尺寸（見圖5），從而幫助用戶更好地實現靈敏度和空間分辨率之間的平衡。
 
電場探頭通常不會有一個環形的區域。用他們獲得電場信息的方法更像是單極天線。與磁場探頭一樣，電場探針旋轉與否不影響測量結果，但與信號源的距離是非常重要的影響因素。
 
以下是探頭的使用指南：
關閉被測設備，觀察頻譜儀的測量值，測出本底輻射。注意，任何可能由環境或者本底輻射引起的的射頻干擾都要關注。如果在屏蔽良好的實驗室中，這個問題可能不是很大，但在普通的實驗室中，一定要提前測得環境中存在的本底干擾。
探頭的擺放，通信端口終端，以及機器外殼的接縫、通風口等，這些都是在測試中容易出現問題的地方。
電場或磁場的探頭離信號源近一點會測得幅值。
磁場探頭放置的方向垂直于磁場會比平行于磁場測得更高的數據。
因為在重復的實驗中探頭的位置是比較重要的，因此把一個不導電的夾具（如木頭，塑料）固定在被測設備上，那么探頭就可以使用了。記住，探頭的位置和放置方向是十分重要的，一點點的位置偏差或者一點點的角度偏差都會在對被測設備進行實驗時引起很大的誤差。

圖4 磁場探頭的擺放和角度影響被測設備測得幅值

圖5 一組具備不同空間分辨率的近場探頭

圖6 使用近場探頭對PCB板進行輻射測量

電子設備中的線纜和連接器都需要被屏蔽并且接地正確，因為它們是很好的天線，導體外部的微小的電流變化就很容易造成探測到的輻射量超過電磁兼容測試設定的限值。電流鉗和頻譜儀配合使用可以了解到線纜和連接器產生電磁輻射的原因。
電流鉗和近場探頭的原理類似我們可以直接從商家購買或把線圈纏在鐵夾和BNC連接器上自己制作（如圖7所示）。把電流鉗靠近待測的線纜，同時把它連接到頻譜儀的輸入端口，把頻譜儀的頻率調到設定的范圍。

圖7 一個手工制作的電流鉗

以下是探頭的一些使用指南：
如果不能確定輸入信號的大小，可以在測量之前給頻譜儀的RF輸入端加一個外置的衰減器。電源線或者其它高功率的應用可能會影響頻譜儀RF輸入端口的靈敏度。
測量所有可能和被測設備連接的線纜。包括電源線，USB線，網線等。（如圖8）

圖8 測量一個連接到示波器的USB線的射頻干擾

電流鉗，尤其是手工自制的，對環境中的RF信號特別敏感，這可能使得你測到的信號是不準確或者是錯誤的。先連接所有的電纜，探頭等，然后通過關閉被測設備來測得環境中的RF信號，然后把這個本底數據和打開被測設備時所測得的數據相比較，從而得到準確的數據。這對于循環多次測試不斷變化的環境中的被測設備的RF信號來說也是一個好辦法。

圖9 由電流鉗測得的環境中的RF信號軌跡（黃色）；以及打開DUT時

的信號軌跡（紫色）
如果你的RF測量實驗失敗了，那么從出現錯誤的頻率以及產生這些頻率的基波開始著手尋找問題。

4、檢查和評價

在使用探頭檢測到的信號干擾可能并不是真實的干擾數據，但是通過觀察分析測量結果，對比被測設備的前后狀態等方法，用戶可以更快的進行故障排除。
以下是一些可參的實驗技巧，可以幫助我們觀察更多實驗中的細節：
大多數的頻譜儀不具有預選器。如果你是用一個不配備預選器的頻譜儀，你觀察到的峰值可能不是真實的。由于帶外信號和待測信號混合在一起，沒有預選器的頻譜儀很可能會觀測到一個假峰。
你需要通過外加一個衰減器（可以3dB或者10dB）測試一下這個峰值的有效性，真實的峰值會隨著衰減量下降。如果峰值下降的量大于外加衰減的量，那么這個峰值很可能是一個假峰。把這個假峰標注出來和兼容測試中得到的結果進行對比。你也可以使用預選器或者EMI接收器，但是這些配件對于大多數快速測試來說是成本高昂的。
圖10 是一個典型的峰值測試實驗，黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個10 dB的衰減器得到的，這種情況下，峰值下降的量和所添加的衰減量是一致的。這有助于確認該峰值是真峰而不是帶外信號的產物。

圖10 使用頻譜儀的標記功能對兩次掃描結果進行標記黃色的軌跡是沒有使用衰減器得到的，紫色的則是給頻譜儀的射頻輸入端外加了一個10 dB的衰減器得到的

 
一些具有軌跡類型保持功能的頻譜儀將會連續的保存每次頻率掃描的值，你可以把一個單軌作為“清除寫入”（你可以打開一條跡線為“清除寫入”狀態），來表現射頻信號，然后把另一條設置為保持。這使得你可以比較被測設備在壞的情況下的收集的數據的變化，并且使用保持功能“固定”它們。
可以使用標記和峰值表功能去清楚的找出峰值頻率和幅值。

圖11 打開標記功能和峰值表功能的頻譜儀SSA3000X的界面

5、結論

1.磁場由流動的電流產生。使用磁場近場探頭靠近導線或回路去甄別電磁輻射。
2.電場由流動的電流或者靜電荷產生。使用電場近場探頭在金屬平面（例如散熱器，機箱，顯示屏的邊界或者是機殼的縫隙等）去甄別電磁輻射。
3.使用電流鉗去甄別潛在的輻射和從線纜和連接器泄漏的諧振。
4.顯示屏，機殼的縫隙，帶狀線纜和通信端口及總線是可能導致輻射泄漏的地方。
5.用導電帶或鋁箔包裹住可能產生電磁泄漏的部分，并確認包裹是接地的，再次掃描被包住的地方的EMI干擾是否減輕了。
6.連接不良的電纜和連接器也會導致輻射問題。
7.通過給被測器件斷電并觀察頻譜儀上的輸出，可以多次測量環境對實驗的影響。在測量中要標注出任何的變化以及它們所帶來的潛在的影響。
通過一些簡單的設備，你可以在室內進行預兼容測試， 這會大限度地減少產品開發時間，降低設計成本，以及減少下一代產品研發過程中的反復測量次數。