產(chǎn)品中的電磁場問題及故障診斷技巧分享

由于電磁能量源為時(shí)變的電壓源或電流源，因此當(dāng)非常接近這些電源時(shí)主要的場分量為電場（E）或磁場（H）。通常，導(dǎo)線或PCB走線都被認(rèn)為是主要的磁場源，而高電壓（開關(guān)器件的工作動點(diǎn)）產(chǎn)生的主場分量為電場。考慮這種問題的另外一種方式，即電流環(huán)路是主要的磁場源，而金屬表面比如散熱器（開關(guān)器件散熱）是主要的電場源。－《開關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》

因此，電路印制線產(chǎn)生的是電場還是磁場，取決于其與環(huán)路更相關(guān)還是與產(chǎn)品中的金屬體更相關(guān)。這些源可使用近場探頭確定，也因此近場探頭設(shè)計(jì)用來測量主要磁場或主要電場。

如圖1所示，高阻抗電路其常常與高電壓相關(guān)，通常會產(chǎn)生高電平的電場。而低阻抗電路其常常與大電流環(huán)路相關(guān)，通常會產(chǎn)生高電平的磁場。

當(dāng)探頭或接收天線遠(yuǎn)離電磁能量源超過大約1／6波長時(shí)，電場和磁場的阻抗趨于自由空間的波阻抗－大約為377Ω，電磁場將成為平面波。由于所有天線都能對電場和磁場產(chǎn)生響應(yīng)，因此通常都使用天線來測量電場或磁場。當(dāng)評估產(chǎn)品產(chǎn)生的輻射發(fā)射時(shí)，測量天線主要測量一定距離－通常為3m或10m處的電磁場。

圖1．給出近場和遠(yuǎn)場及波阻抗之間的關(guān)系及電磁場在產(chǎn)品中的影響

圖1為我課題中的PPT圖資料：對于小環(huán)天線結(jié)構(gòu)，比如短的電纜或電路PCB走線，其與自身干擾能量的波長相比是短的，通常為弱的輻射體。他們發(fā)射的能量隨著距離的三次方（1／D3）快速地進(jìn)行衰減。因此，磁場源與接收電路或?qū)Ь€通常必須非常地接近且位于近場范圍內(nèi)。才會產(chǎn)生磁場耦合。

導(dǎo)線和金屬面板或金屬背板為高阻抗的電場源。他們發(fā)射的能量，不像磁場衰減得那樣快，而是隨著距離的二次方（1／D2）進(jìn)行衰減。他們可以與其他高阻抗電路、導(dǎo)線或金屬板實(shí)現(xiàn)最佳耦合。這些金屬結(jié)構(gòu)之間必須非常接近且位于近場范圍內(nèi)。這就是所說的容性電場耦合。

在這里給出電子設(shè)計(jì)工程師在需要計(jì)算時(shí)的參考數(shù)據(jù)：當(dāng)1／6波長仍位于過渡區(qū)內(nèi)時(shí)，通常認(rèn)為3λ的距離可確保為遠(yuǎn)場。λ／16則確保為近場。

注意：在遠(yuǎn)場中，電場和磁場引起噪聲問題的潛在概率是相等的。要確定的是哪種場在實(shí)際中影響最顯著？敏感電路是什么？敏感電路具有更大的暴露的環(huán)路面積，是會對磁場敏感，還是會對電場敏感？！如何進(jìn)行問題診斷呢？

再給出電磁干擾問題的故障診斷技巧

有許多的方法可以對電磁干擾問題進(jìn)行分析和整改。在這里推薦EMC故障診斷的4個(gè)基本且常用的步驟可供電子設(shè)計(jì)工程師來參考。

1）分離識別干擾源

這個(gè)操作的目的是嘗試去掉元件、分系統(tǒng)或相關(guān)設(shè)備，以確認(rèn)他們是否對EMI問題產(chǎn)生了影響。比如，如果問題是輻射發(fā)射，應(yīng)嘗試移走受試設(shè)備（EUT）的輔助設(shè)備以確認(rèn)問題是出自輔助設(shè)備還是EUT。由于線纜通常為輻射源，因此另一種好的試驗(yàn)方法是移走所有不必要的連接線電纜。如果EUT仍然還是超過發(fā)射限值，那么出問題的可能是屏蔽殼體或PCB設(shè)計(jì)，應(yīng)首先先處理優(yōu)化或者是解決他們。

2）主要干擾源的影響效應(yīng)

特定頻率的諧波發(fā)射通常是由多個(gè)源或輻射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，這些源或輻射結(jié)構(gòu)中的一個(gè)可能是主要的，要比其它的干擾源或輻射結(jié)構(gòu)的發(fā)射要強(qiáng)。當(dāng)使用一種或多種可能的解決方法，定位到主要的發(fā)射源時(shí)才可能看到發(fā)射的減小。通常最佳的做法是，使用所有潛在的解決方法使測試產(chǎn)品合格。然后再開始逐一地去掉所使用的解決方法，最后找出到底是哪些方法可以解決問題了。

3）一直加措施的策略

這里使用的方式是不考慮成本和復(fù)雜性，先使用一切辦法使產(chǎn)品合格。然后再回過頭來進(jìn)行簡化，以確定成本最低的解決方法。很多時(shí)候，由于有些潛在的EMI解決辦法成本過高或過于復(fù)雜，所以并沒有去嘗試使用這些辦法。首先采用一直加措施的方法通過符合性試驗(yàn)，然后再減少一些無關(guān)的措施，降低成本。

4）采用EMC理論體系的解決方法；

這也是依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的故障診斷技巧總結(jié)的分享

注意：當(dāng)故障問題的工作頻率為幾十MHz或幾百M(fèi)Hz時(shí)，不建議輕率地采用簡單焊接器件的解決辦法。比如，如果確定在某個(gè)位置使用電容器可解決問題，但焊接的電容器件具有較長的引線，這個(gè)長引線的電感屬性將會影響電容器的性能，尤其是在較高的頻率下。在較高頻率下，應(yīng)盡可能地使用引線長度最短的元件或貼片器件。

另外一個(gè)典型案例是屏蔽電纜和外殼之間需要做好射頻搭接。電纜屏蔽層或電路板和外殼之間連接的短導(dǎo)線（或者是軟編織線）在所考慮的諧波頻率時(shí)很可能不具有足夠低的阻抗。為了使搭接更為有效，需要進(jìn)行多次連接。再比如采用3600低阻抗的環(huán)繞連接。簡單的問題，正確的去做，是很關(guān)鍵的。

對于產(chǎn)品的較正確的電磁干擾問題診斷及整改過程如圖2所示。

圖2 電磁干擾問題的故障診斷及思路

解決電磁干擾問題的重要技巧，是能夠識別提供能量的源和潛在的耦合路徑，以及理解接收器和接收電路。

注意：對于EMI發(fā)射和抗擾度的問題，四種耦合結(jié)構(gòu)／電路路徑同樣有效。對于輻射發(fā)射，接收器通常為EMC測試設(shè)施中使用的EMI接收機(jī)或頻譜分析儀。產(chǎn)品或系統(tǒng)產(chǎn)生的發(fā)射通常具有規(guī)定的限值。根據(jù)產(chǎn)品或系統(tǒng)及預(yù)期的使用環(huán)境，這些限值可能非常低或高。在實(shí)際環(huán)境中，接收器可能是任何通信系統(tǒng)或其他設(shè)備。

對于抗擾度問題，能量源可能為ESD、附近的兩路射頻發(fā)射機(jī)或電源線浪涌或瞬態(tài)干擾；也可能為產(chǎn)生噪聲的設(shè)備，如電源線上連接的電機(jī)或?yàn)V波不好的開關(guān)電源系統(tǒng)。

對于發(fā)射問題，干擾源的識別通常最容易。可以使用近場探頭（磁場或電場）確定最大能量的電平。最常見的內(nèi)部干擾源有時(shí)鐘振蕩器、大功率驅(qū)動器、A－D／D－A轉(zhuǎn)換器、專用集成電路、電源變壓器、開關(guān)器件或任何具有快速上升沿的高頻數(shù)字信號。還可以嘗試在單個(gè)電源和I／O信號電纜上使用射頻電流探頭確定發(fā)射源。

對于200MHz左右及以下的多數(shù)輻射發(fā)射問題，由連接線電纜產(chǎn)生的輻射發(fā)射問題要比設(shè)備外殼或內(nèi)部電路直接產(chǎn)生的多。這個(gè)理論與實(shí)踐的內(nèi)容請參考《開關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》。

對于抗擾度問題，能量源在外部，因此這些源包括射頻發(fā)射、ESD及不同的電源線的瞬態(tài)和浪涌。對ESD或電源線瞬態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可將這些現(xiàn)象與出現(xiàn)的問題相聯(lián)系并進(jìn)行識別。這些抗擾度問題的故障診斷請參考《物聯(lián)產(chǎn)品電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》。

一旦識別出了潛在的騷擾源，下一步是識別潛在的耦合路徑。這種故障診斷都會有些小技巧。一旦已知了騷擾源，可用下面的方式識別耦合路徑。

傳導(dǎo)耦合：通常情況下，如果路徑為傳導(dǎo)耦合路徑，將處理的是導(dǎo)線或電纜線束上的時(shí)變（交流或射頻）電流，這些電流可能沒進(jìn)行足夠的濾波或去耦。這種電流必須先傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的位置或負(fù)載，然后通過另外一條導(dǎo)線或連接線電纜束返回到騷擾源端。

另一種常見的情況是噪聲源和受擾電路之間具有公共的返回路徑。干擾電流與環(huán)路的長度無關(guān)，因此如果能盡力把騷擾源和接收器或受擾電路從物理上相隔開，干擾問題仍會存在，那么這個(gè)問題的產(chǎn)生原因通常就是傳導(dǎo)耦合了。當(dāng)然，輻射耦合也仍是有可能的。

感性或容性耦合：如果耦合是感性或容性的，增加干擾源和接收器之間的物理距離可顯著地減小干擾或?qū)﹄娐返挠绊憽１热?，干擾源為電源變壓器，應(yīng)嘗試著把變壓器連接在延長的導(dǎo)線上，使得其位于不同的方向或距離上。如果干擾源為開關(guān)電源的散熱片，可暫時(shí)把散熱片移走然后看是否解決了問題。如果移走散熱片電源工作起來不安全，那就盡力使用附加的非導(dǎo)電但導(dǎo)熱的墊子或隔離物以減小寄生電容。

散熱片也會與附近的連接線電纜產(chǎn)生容性耦合。當(dāng)監(jiān)測干擾時(shí)應(yīng)嘗試移動連接線電纜。感性耦合通常出現(xiàn)在電纜和PCB之間或兩條連接線電纜之間。此外，使用隔離手段通常也能驗(yàn)證耦合機(jī)理是否為感性的。

對于輻射發(fā)射測試，輻射耦合主要是由于EUT連接線電纜或殼體上的縫隙產(chǎn)生的發(fā)射通過空間耦合傳播給EMI接收天線。

增加EUT和EMI天線之間的物理間隔通常并不能使諧波的幅值產(chǎn)生非常大的變化。

在前面的文章－【電磁干擾及電磁兼容問題中的干擾能量是如何傳遞的】有進(jìn)行詳細(xì)的分析和說明，可供參考。

同時(shí)這也是典型四種耦合的判斷和分析方法。詳細(xì)內(nèi)容還可參考《開關(guān)電源電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》書中的具體內(nèi)容。其書中的視頻內(nèi)容或許將會給廣大讀者帶來非常大的幫助。

《開關(guān)電源電磁兼容的分析與設(shè)計(jì)》與《物聯(lián)產(chǎn)品電磁兼容分析與設(shè)計(jì)》都是以實(shí)用為目的，將復(fù)雜的理論簡單化，化繁為簡、化簡為易，從而簡化了冗長的理論，可以作為在企業(yè)從事電子產(chǎn)品開發(fā)的部門主管、EMC設(shè)計(jì)工程師、EMC整改工程師、EMC認(rèn)證工程師、硬件開發(fā)工程師、PCB LAYOUT工程師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師、測試工程師、品管工程師、系統(tǒng)工程師等研發(fā)人員進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)的參考資料

審核編輯 ：李倩