EMC基础知识:使用实时示波器进行预合规测试
在本文中，我将展示一个简单的演示，说明设计不良的互连如何导致近场发射，这有时是可能的EMI故障的迹象。
EMI存在于原理图的空白区域
在设计印刷电路板时，我们总是从原理图开始。它所告诉我们的只是正在使用的组件，它们是如何连接的，以及系统的功能是什么。原理图完全没有告诉我们信号完整性、电源完整性或电磁干扰(EMI)。
当我们将原理图转换为物理实现时，信号完整性、电源完整性和EMI问题都会出现。一旦我们建立了连接，连接所要做的唯一一件事就是给我们美丽的设计带来噪音和混乱。我们遵循最佳设计实践来设计互连，使它们产生的噪声低于可接受的水平。
在本文中，我将重点讨论影响EMI的设计问题和测量近场发射的一种方法。EMI和电磁兼容性(EMC)是指系统通过认证测试的能力。这些测试都是根据远场辐射成分的光谱来定义的。观察近场辐射辐射是一项重要的预合规测试，因为这可以在台式电脑上快速轻松地完成。用频谱分析仪查看近场发射通常可以预览远场EMC测试。
然而，有时使用实时范围查看近场发射可以获得额外的见解。如果有同步信号触发示波器，则有时可以用实时示波器识别特定信号对发射的影响。这可能指向对产品EMC产生负面影响的EMI的根本原因。虽然示波器实际上并不测试EMC，但它可以在时域和频域内成为预合规EMC测试和调试的重要工具。
为什么EMC预合规测试很重要
EMC有许多认证测试。我们在这里讨论的是美国联邦通信委员会(FCC)辐射排放第15部分，测试产品是否符合a级或B级可接受的远场辐射排放标准。测试非常相似:a级指的是工业产品环境，B级指的是消费环境。
基本上，被测产品被放置在一个屏蔽的消声室中，这样就没有来自环境的源或反射，只有产品的直接辐射发射。产品被放置在离地面一米高的地方，天线被放置在一段距离之外。如图1所示。
图1:FCC排放测试的典型设置。
对于B级(针对消费环境/产品的更严格的测试)，天线距离为3米(约10英尺)。天线上下移动180度，围绕产品360度，在产品正常运行时，在所有方向上寻找绝对最坏的辐射发射情况，使用120千赫兹带宽探测器扫描并扫描广泛的频率范围。测试证实，该产品在宽频谱带宽内的峰值辐射辐射低于FCC要求的最大可接受电场水平。
表1显示了B类产品在不同频率范围内的一些最大可接受电场强度。
表1:FCC在不同频率下操作的B类产品的最大允许辐射排放量。
一般来说，如果一个产品通过了B类，它也将通过a类。B类通过低频(大约100 MHz及以下)的标准约为100微伏每米(µV/m)。如果一个产品在3米外以100 MHz及以下的频率测量时辐射的电场小于100µV/m，那么它可以通过FCC测试。这是一个很好的经验法则，可以估计消费者设备的可接受辐射辐射。
理解这个数字的一种方法是想象一个无线电台，以球形模式360度广播(见图2)。我们站在离这个电台三米远的地方，测量它的电场强度。如果我们有一个向各向同性发射的射电源，从这个源发出的辐射功率必须是多少才能在3米距离上得到100uv /m ?记住，电场是振幅，不是幂。功率是按电场的平方计算的。
图2:无线电台向120 kHz BW各向同性广播的说明。
使用图2中的公式，其中E为电场强度，单位为V/m, R为从源到电场处的距离，单位为米，P为总辐射功率，单位为瓦，如果我们在3米处测量100µV/m，则总辐射功率(瓦)为10 nW。这是所有。因此，如果B类设备在360度方向上辐射超过几纳瓦的功率，它将无法通过在美国运输产品所需的FCC测试。
这就是为什么通过辐射发射EMC测试如此困难的原因，因为它不需要太多的功率辐射到120 kHz带宽的FCC测试中就会失败，也是EMC涉及如此多工程的原因。
在暗室中进行完整的fcc式测试非常昂贵。没有人愿意将他们的产品提交给这样的测试，除非他们非常有信心它能通过测试，这就是为什么合规前EMC测试对于任何设计电子产品的人来说都是如此重要。
电路中的无意天线
这些辐射辐射从何而来?在设计印刷电路板时，没有人会故意在产品中设计天线，以防止意外辐射。这些鬼鬼祟祟的天线并没有出现在示意图中。然而，我们可以通过一些相互连接的特性在不知不觉中将它们引入到我们的产品中。我常说:“有两种设计师:一种是有意设计天线的，另一种不是有意设计天线的。”
天线有两种基本模型——磁偶极子和电偶极子(见图3)。了解这些天线将有助于深入了解PCB结构的辐射特性。
图3。两种基本类型的天线和PCB结构的例子，以这种方式表现。
磁偶极天线由一个完整的电流环路组成。在典型的电路板应用中，所有的传输线和信号返回路径，如果操作正确，都是具有信号路径和返回路径组成完整环路的磁偶极子天线。为了保持阻抗控制，我们将返回路径直接路由到信号轨迹的下面。这使得环的面积较小，并降低了磁偶极子天线的辐射发射效率。
电偶极天线有一个中心电压源，两端有两根电线。当电压源产生交流电压时，电流就会在这些电线中来回晃动。电流必须形成一个完整的回路。它如何在空间中的导线之间返回?答案是通过位移电流沿着两根导线之间变化的条纹电场线流动。这与电流在电容器中流过的路径相同。
电路板中意外偶极天线的一个完美例子是有噪声的地平面，同轴电缆的屏蔽连接到该平面的一端。
当然，在地平面上不存在均匀电压。在地面上总是会有噪音，通常被称为“地面反弹”。地弹跳电压可大可小，所以平面的不同部分是不同的电压，这意味着我们有一个电压发生器。如果地平面的一部分连接到机箱，另一部分连接到外部电缆的屏蔽，我们就创建了一个电偶极子天线。地平面上的不同电压会将共同电流驱动到电缆屏蔽层上，这些共同电流会辐射并通过位移电流返回到平面或底盘上。
磁偶极子天线的效率通常比电偶极子天线的效率低得多。换句话说，通过位移电流流动和返回的等量电流从电偶极子天线辐射比在磁偶极子环中更有效。这就是为什么来自电偶极子天线的普通电流将成为EMC故障的主要原因。
任何时候我们产生的电压源都可以驱动两侧的两个导体，如果有外部电缆连接到飞机上，或者即使我们在飞机上有足够大的面积，我们也会有辐射辐射。这就是贴片天线的本质。
如果我们已经创建了一个电偶极子天线，我们可以使用以下简单的近似来估计远场辐射发射:
这是导线中电流的远场电场强度，给定频率，导线长度，以及到源的距离。在3米的电场强度为100 μ V/m且FCC测试失败时，我们需要在100 MHz的外部电缆中流动多少普通电流?当你输入数字时，它只有3µa。这并不多，这就是为什么我们担心这些共同的潮流。它们是FCC故障最常见的来源，不需要太多的普通电流就会导致FCC测试失败。
共电流的一个主要根本原因是信号返回路径的不连续。返回路径不连续会产生三个问题:它会产生反射噪声、串扰和EMI。
如果在地平面中有地反弹噪声，则该平面的一个区域与另一个区域具有不同的电压。这是电压源。外部电线可以是连接到飞机上的电缆，与地板有一些共同的阻抗。电缆代表以地板为回程的传输线。如果我们有100 mV的地面反弹噪声，假设地板上1米电缆的典型阻抗为1 kW，那么电缆屏蔽中大约会有100µa的普通电流流过，远高于3µa的FCC限制。这是3米外的4000 μ V/m电场。这就是为什么以一种减少地面反弹噪声的方式来布局电路板是如此重要，而不是减少反射和串扰，而是减少EMI。
为减少外部屏蔽电缆的共流，建议将屏蔽层连接到机箱上。而且，为了提供信号的连续返回路径，要么在屏蔽电缆中使用单独的返回导体，要么也将屏蔽绑在信号的返回平面上。
近场辐射和远场辐射
当我们在台式电脑上测试产品的EMC时，我们在典型的嘈杂环境中接近该产品。当测量100mhz及以下范围的频率成分时，波长的1/10大于1英尺。当我们距离电路板超过1英尺时，我们只能测量近场。重要的是要记住，在前面描述的FCC测试中，近场测量与远场(3米或更多)测量是不同的，原因如下。
当我们有一个产生辐射辐射的源时，根据电流分布和源的形状，我们会有各种各样的多极矩辐射偶极子，四极子，六极子等等。根据电流回路的模式，会有不同的电场辐射模式。它们都有辐射，但来自不同多极的辐射场以不同的速率随距离下降。偶极场的衰减速度最慢，并能存活到远场。如图4所示。
图4。近场发射的多极扩展。
不幸的是，当我们接近产物时，我们测量的是所有的近场强度，我们可能在远场看不到，因为其中一些强度下降得很快。
这意味着我们必须非常小心地解释近场测量的结果。近场会给出所有时刻的辐射，而不仅仅是偶极子项。缺点是在近场测量的东西并不总是在远场测量的东西的代表。大量的近场辐射可能并不意味着潜在的FCC故障。
另一方面，如果我们没有通过FCC测试，那么我们绝对会看到近场排放，所以任何可以减少近场排放的措施都将有助于通过FCC远场测试，尽管不能保证。
时域近场辐射发射测试
我们可以在时域或频域使用实时范围对近场发射进行简单的台式测量。时域的优点是，如果我们有一个同步信号触发作用域，我们可以直接测量该开关信号或与之切换的信号对辐射发射的影响。
在时域中，我们可以看到近场排放的特征，从而得出有关这些排放的根本原因的信息。这是一种预合规EMC测试，可以在任何实验室轻松完成，几乎任何范围，而不需要消声室的费用。
在这一系列实验中，我们使用了以下设备来演示引起近场发射的一些互连结构:
- 一个实时示波器(我们使用Teledyne LeCroy 12位WavePro HD)
- 一种信号发生器
- 电流探头(我们使用Teledyne LeCroy CP30A钳式霍尔效应电流探头)
- 一个磁环“嗅探器”探头(或一个10倍的被动探头环形创建一个“嗅探器”)
- DUT
时域测试的关键是在某些有可能影响辐射发射的信号(如开关信号)上触发示波器。如果我们能触发开关信号，我们就能找到与该信号同步的近场辐射。时域可以帮助我们精确地确定什么时候有排放，什么时候通道中有di/dt。
这些例子中的DUT(见图5)是一个四层测试板，它是为我在科罗拉多大学博尔德分校的一个课程设计的，用于演示地面反弹对辐射发射的影响。
图5。返回路径不连续的简单2层测试板示例。
有三个部分。每个部分包含一对跟踪。每个部分的顶部轨迹穿过一个或多个返回平面的间隙。每个剖面的底部轨迹是一个连续的返回平面。
在微带区域，一条迹线在均匀的宽平面上运行，另一条迹线在间隙上运行。这是返回路径不连续的一个经典例子。当信号沿着穿过间隙的迹线发送时，返回电流必须绕着间隙蜿蜒返回，在信号和返回电流之间形成一个环路。不连续区域的回路电感增加，导致电路板右侧的电压与左侧的电压不同。因此，我们将看到由返回电流在间隙周围产生的环形天线的辐射发射，以及由板两侧不同电压产生的贴片天线的辐射发射。
信号(由函数发生器产生)是一个10千赫的方波，上升时间边缘为9 ns。
沿微带向下传递的信号在线路的远端被缩短，这样电流就会通过回平面和回平面的间隙返回。
为了有一个信号来触发示波器，告诉我们电流何时通过间隙，我们将电流探头夹在远端(短路)环上以测量电流。在我们的测试中，大约100 mA的峰峰电流作为方波通过环路(黄色的C1迹线)。
嗅探探头使用SMA电缆连接到瞄准镜的通道2。
当dI/dt通过间隙时，我们期望在嗅探器中看到辐射发射和近场拾取。这与间隙周围的回流电流是同步的。是di/dt引起了辐射辐射。在恒定电流的情况下，我们有磁场，但它没有变化，也没有辐射。使用当前边缘触发范围，我们在嗅探探头中看到同步近场噪声，如图6所示的测量结果。
图6。设置近场发射测试(右)和结果显示共振(左)。
为了获得最佳视图，我们将其放大，以便在屏幕上只看到C1触发器边缘，垂直灵敏度为20 mA/div，近场探头为50 mV/div。当我们在微带的间隙周围移动嗅探探头时，我们可以在粉红色的C2中看到一些被拾取的大磁场，在嗅探环中诱导电压。在板周围移动嗅探探头表明，排放非常局限于不连续。
C2测量中也有振铃。为什么会有铃声?你应该马上就能认出电缆中的反射。
我们考虑一下这个结构。低阻抗源环沿着电路板上的迹线向下走，并在间隙附近诱导di/dt。近场发射用低阻抗源诱导拾音器线圈中的电压。来自线圈的电压沿50欧姆电缆向下移动到示波器，示波器的阻抗设置为1mw，因此信号从电缆的50w阻抗传递到示波器的1mw阻抗。它会反射，回来，看到另一端近场探头的低阻抗，改变符号，来回反弹。我们在这里看到的是由于引入了低阻抗电压源而导致的电缆振铃。我们并没有真正看到近场辐射。相反，我们在电缆中看到了近场发射令人兴奋的铃声。这就是为什么在范围内终止电缆是如此重要。
当我们将终止设置为50w时，振铃被移除，我们看到的是结构本身的近场发射。这是一个直接测量近场发射的签名，从这个单边激励的痕迹和返回路径的间隙。
图7显示了微带和两个带隙和不带隙的带线结构的近场测量结果。
图7。对于相同dI/dt的各种微带和带线结构的近场测量的总结。
最大的近场辐射来自带间隙的微带。在没有间隙的情况下，如底部轨迹所示，微带发射非常低，振幅约为1 mV，而有间隙时的噪声为200 mV。当固体返回平面移动到更接近轨迹时，条带线层中间隙的影响显著减小。由于没有间隙，条带线的辐射辐射处于噪声中。
返回平面上的间隙是许多有铜填充的板近场发射的共同起源，例如，在一层上引入信号返回路径的不连续。
结论
不需要太多的普通电流，FCC测试就会失败。辐射发射失效的最常见原因是回程路径不连续产生的共电流。这些可以在近场测量，只需一个简单的工具，如实时瞄准镜和拾取线圈，如近场探头。只要注意探头示波器系统中的反射伪影，就可以得到开关电流发射的清晰特征。
进一步资料
奥特,亨利,电磁兼容性， Wiley, 2009
Joffe和Lock，接地理由， Wiley, 2010
保罗,C。电磁兼容性， Wiley, 2006
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