電磁兼容：傳導(dǎo)干擾測(cè)試
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時(shí)間：2024-05-27
來源：鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)
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EMC測(cè)試，簡(jiǎn)單地說，就是測(cè)量產(chǎn)品的射頻輸出量，并比較其輸出值是否符合國(guó)家相關(guān)部門制定的標(biāo)準(zhǔn)。一般來講，任何可能會(huì)輸出RF信號(hào)的商業(yè)產(chǎn)品，都必須通過上述標(biāo)準(zhǔn)。
EMC兼容測(cè)試需要用到專業(yè)的設(shè)備和專門的技術(shù)，對(duì)于大多數(shù)公司來說，這些設(shè)備的成本是非常高昂的，所以一般都是選擇在產(chǎn)品開發(fā)完成后，送到第三方實(shí)驗(yàn)室做認(rèn)證測(cè)試。然而遺憾的是，很少有產(chǎn)品能夠一次性就通過，一般都需要多次整改。這樣的重復(fù)整改和測(cè)試，會(huì)增加成本，不可避免地，產(chǎn)品上市也將被延遲，這會(huì)給公司帶來非常重大的損失。
怎么解決這個(gè)問題呢？我們可以通過一些簡(jiǎn)單的工具和技術(shù)來減少時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的損失。我們可以在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段，進(jìn)行預(yù)兼容測(cè)試，識(shí)別并解決出現(xiàn)的EMC問題，這個(gè)過程并不需要昂貴的設(shè)備支撐，整體來講，省時(shí)省力又省錢。
在這篇應(yīng)用文檔中，我們將介紹如何進(jìn)行傳導(dǎo)干擾的預(yù)兼容測(cè)試。這項(xiàng)技術(shù)將最大限度地避免產(chǎn)品開發(fā)后期的重復(fù)整改，幫助工程師更好地理解電路設(shè)計(jì)中需要注意的EMC問題，同時(shí)，對(duì)于未來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如何規(guī)避EMC問題，也是一個(gè)很好的參考。
2、傳導(dǎo)干擾
傳導(dǎo)干擾，主要是測(cè)量用電產(chǎn)品產(chǎn)生的，通過線纜傳播的射頻分量，如能量，信號(hào)和數(shù)據(jù)。大多數(shù)對(duì)于傳導(dǎo)干擾的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都集中在主電源交流分量產(chǎn)生的能量。電纜上過多的射頻分量會(huì)產(chǎn)生過度干擾，尤其是對(duì)于廣播收音機(jī)和其他的一些廣播頻段而言。
圖1 鼎陽(yáng)科技頻譜分析儀SSA3021X （2.1 GHz）
傳導(dǎo)干擾預(yù)兼容測(cè)試一般需要一臺(tái)頻譜分析儀，兩個(gè)用作接地層的金屬導(dǎo)電板，和線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）。LISN的作用主要是用來為被測(cè)器件（DUT）供電，并將產(chǎn)生的射頻能量從DUT轉(zhuǎn)移到頻譜分析儀，這樣我們就可以通過頻譜分析儀屏幕上顯示的信息判定出這個(gè)被測(cè)器件是否符合標(biāo)準(zhǔn)了。我們還可以增加額外的瞬態(tài)保護(hù)和衰減，以免能量過大，造成對(duì)頻譜儀的損壞。典型的的傳導(dǎo)干擾預(yù)兼容測(cè)試的設(shè)置如圖2所示：
圖2 典型傳導(dǎo)干擾預(yù)兼容測(cè)試設(shè)置，圖中用瞬態(tài)限幅器和衰減器保護(hù)頻譜儀的RF輸入端
這套裝備基本能完全模擬出第三方實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳導(dǎo)干擾的測(cè)試設(shè)置，成本很低，并且設(shè)備對(duì)環(huán)境中產(chǎn)生的RF能量不敏感，這使得結(jié)果會(huì)相對(duì)來說比較準(zhǔn)確。傳導(dǎo)干擾的測(cè)試要比輻射干擾的測(cè)試來得簡(jiǎn)單，也更容易獲取到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
設(shè)備清單：
頻譜分析儀/EMI 接收器：測(cè)量相對(duì)于頻率的RF功率。頻譜儀的最高輸入頻率應(yīng)該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。
瞬態(tài)限幅器（可選用）： 保護(hù)頻譜儀RF輸入端，防止能量過大損壞儀器。
衰減器（可選用）： 備用3dB和10dB的衰減器，保護(hù)頻譜儀受到能量過大信號(hào)的破壞。
線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）：將DUT產(chǎn)生的RF能量傳輸?shù)筋l譜分析儀/EMI 接收機(jī)。選擇符合國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，和DUT適配的LISN
注意：請(qǐng)認(rèn)真研讀LISN用戶手冊(cè)。某些設(shè)計(jì)可能存在潛在的高壓，非常危險(xiǎn)，可能需要特殊說明才能安全操作。
水平接地層：導(dǎo)電金屬片的寬度約為15cm。DUT到垂直接地層留出40cm的距離。
垂直接地層：導(dǎo)電金屬片的寬度約為15cm。DUT到水平接地層留出80cm的距離。水平和垂直接地層兩者交匯處采用低阻抗導(dǎo)電帶連接。
LISN連接: 短金屬導(dǎo)電片，用于將LISN連接到水平接地層。需要具備低阻抗特性，最好是薄金屬帶。如果用電線的話，效果不理想。
不導(dǎo)電工作臺(tái)：尺寸略大于DUT。材質(zhì)可以是木材，玻璃纖維，塑料。
物理設(shè)置
將DUT放在不導(dǎo)電工作臺(tái)的中心位置
將水平接地層放到與DUT距離80cm的位置，并在DUT正下方居中。
將垂直接地層放到與DUT距離40cm的位置，并以DUT為中心。將垂直和水平接地層電氣連接。
將LISN連接到水平接地層。
將頻譜分析儀/EMI接收機(jī)放置在離水平接地層的邊緣幾英尺的地方，并將其連接電源。
測(cè)試前檢查
根據(jù)頻譜分析儀制造商的建議預(yù)熱儀器。
打開LISN電源，但此時(shí)注意不要連接DUT。
將LISN RF輸出端連接到頻譜儀的RF輸入端。同時(shí)可以連上瞬態(tài)限幅器和3dB或者10dB的衰減器。
設(shè)置頻譜儀：
將起始頻率設(shè)置為150 kHz
將終止頻率設(shè)置為30 MHz
將RBW設(shè)置為1 MHz
將檢波方式設(shè)置為正峰值檢波
將LISN校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
許多頻譜分析儀都有創(chuàng)建Limit模板的功能。如果可用，您可以將特定的Limit模板添加到頻譜分析儀，這樣可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)量過程。
（選用）如果使用瞬態(tài)限幅器，請(qǐng)將其校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
（選用）如果使用外部衰減器，請(qǐng)將其校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
在沒有輸入的前提下，觀測(cè)頻譜儀的界面，它的譜線應(yīng)該是平滑且功率非常低的。您也可以將RBW設(shè)置到最低，顯示出來的譜線代表的是本底噪聲。
我們可以將這些保存為圖片或圖像文件以供稍后參考。 下面的圖3顯示了鼎陽(yáng)科技 SSA3032X頻譜分析儀的開路頻譜圖，其配置如上所述：
設(shè)備清單：
頻譜分析儀/EMI 接收器：測(cè)量相對(duì)于頻率的RF功率。頻譜儀的最高輸入頻率應(yīng)該不低于1GHz, DANL為-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。
瞬態(tài)限幅器（可選用）： 保護(hù)頻譜儀RF輸入端，防止能量過大損壞儀器。
衰減器（可選用）： 備用3dB和10dB的衰減器，保護(hù)頻譜儀受到能量過大信號(hào)的破壞。
線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）：將DUT產(chǎn)生的RF能量傳輸?shù)筋l譜分析儀/EMI 接收機(jī)。選擇符合國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)的EMC標(biāo)準(zhǔn)，和DUT適配的LISN
注意：請(qǐng)認(rèn)真研讀LISN用戶手冊(cè)。某些設(shè)計(jì)可能存在潛在的高壓，非常危險(xiǎn)，可能需要特殊說明才能安全操作。
水平接地層：導(dǎo)電金屬片的寬度約為15cm。DUT到垂直接地層留出40cm的距離。
垂直接地層：導(dǎo)電金屬片的寬度約為15cm。DUT到水平接地層留出80cm的距離。水平和垂直接地層兩者交匯處采用低阻抗導(dǎo)電帶連接。
LISN連接: 短金屬導(dǎo)電片，用于將LISN連接到水平接地層。需要具備低阻抗特性，最好是薄金屬帶。如果用電線的話，效果不理想。
不導(dǎo)電工作臺(tái)：尺寸略大于DUT。材質(zhì)可以是木材，玻璃纖維，塑料。
物理設(shè)置
將DUT放在不導(dǎo)電工作臺(tái)的中心位置
將水平接地層放到與DUT距離80cm的位置，并在DUT正下方居中。
將垂直接地層放到與DUT距離40cm的位置，并以DUT為中心。將垂直和水平接地層電氣連接。
將LISN連接到水平接地層。
將頻譜分析儀/EMI接收機(jī)放置在離水平接地層的邊緣幾英尺的地方，并將其連接電源。
測(cè)試前檢查
根據(jù)頻譜分析儀制造商的建議預(yù)熱儀器。
打開LISN電源，但此時(shí)注意不要連接DUT。
將LISN RF輸出端連接到頻譜儀的RF輸入端。同時(shí)可以連上瞬態(tài)限幅器和3dB或者10dB的衰減器。
設(shè)置頻譜儀：
將起始頻率設(shè)置為150 kHz
將終止頻率設(shè)置為30 MHz
將RBW設(shè)置為1 MHz
將檢波方式設(shè)置為正峰值檢波
將LISN校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
許多頻譜分析儀都有創(chuàng)建Limit模板的功能。如果可用，您可以將特定的Limit模板添加到頻譜分析儀，這樣可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化測(cè)量過程。
（選用）如果使用瞬態(tài)限幅器，請(qǐng)將其校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
（選用）如果使用外部衰減器，請(qǐng)將其校正數(shù)據(jù)輸入分析儀并啟用校正功能以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性
在沒有輸入的前提下，觀測(cè)頻譜儀的界面，它的譜線應(yīng)該是平滑且功率非常低的。您也可以將RBW設(shè)置到最低，顯示出來的譜線代表的是本底噪聲。
我們可以將這些保存為圖片或圖像文件以供稍后參考。 下面的圖3顯示了鼎陽(yáng)科技 SSA3032X頻譜分析儀的開路頻譜圖，其配置如上所述：
圖3 SSA3032X頻譜分析儀的開路本底噪聲
初次掃描
斷開LISN輸出端與頻譜儀輸入端的連線。
將電源線從DUT連接到LISN，電源線不能卷曲和纏繞。確保其平放并且不在DUT和水平接地層之間。
打開DUT的電源。
將LISN RF輸出端重新連接到頻譜分析儀RF輸入端。注意：這些步驟為頻譜分析儀前端增加了另一層保護(hù)。 一些LISN還擁有最小化這些瞬變值的特性，在這種情況下，這些步驟就可做可不做了。
觀察掃描結(jié)果并記錄3dB內(nèi)或者是超過limit模板的峰值。這些是潛在的產(chǎn)生問題區(qū)域。
圖4 展示了未通過Limit模板的掃描結(jié)果
斷開LISN輸出端與頻譜儀輸入端的連線。
將電源線從DUT連接到LISN，電源線不能卷曲和纏繞。確保其平放并且不在DUT和水平接地層之間。
打開DUT的電源。
將LISN RF輸出端重新連接到頻譜分析儀RF輸入端。注意：這些步驟為頻譜分析儀前端增加了另一層保護(hù)。 一些LISN還擁有最小化這些瞬變值的特性，在這種情況下，這些步驟就可做可不做了。
觀察掃描結(jié)果并記錄3dB內(nèi)或者是超過limit模板的峰值。這些是潛在的產(chǎn)生問題區(qū)域。
圖4 展示了未通過Limit模板的掃描結(jié)果
圖4 初步掃描顯示，根據(jù)FCC第15條針對(duì)無意射頻干擾的規(guī)定，該峰值已經(jīng)超過B類限制標(biāo)準(zhǔn)
繼續(xù)掃描和評(píng)估
上述初步掃描已經(jīng)大致鎖定了出現(xiàn)射頻泄漏的頻率范圍。但是，設(shè)置與大多數(shù)規(guī)格中指出的設(shè)置不同。我們建議使用以下頻譜儀設(shè)置：RBW = 10 kHz，檢波方式=正峰值，Span= 30MHz。這使您可以快速分析有問題的區(qū)域，并對(duì)DUT的射頻泄漏情況有一個(gè)大概的了解。
更多可選的器件有助于使測(cè)量更精確：
大多數(shù)頻譜分析儀沒有預(yù)選濾波器。如果您使用的是沒有預(yù)選濾波器的頻譜分析儀，則您觀察到的峰值可能不真實(shí)。沒有預(yù)選濾波器的分析儀會(huì)因帶外信號(hào)與觀測(cè)信號(hào)混合而產(chǎn)生假峰值。
您可以通過添加外部衰減器來測(cè)試峰值的真假（選用3dB或者10dB衰減器）。隨著衰減量的增加，真峰值的波峰會(huì)下降。如果峰值下降的幅度超過了衰減值，那么很有可能是假峰值。
實(shí)際峰值將減少衰減器的數(shù)量。如果峰值下降超過衰減器，則可能是假峰值。記下假峰值，以便與合規(guī)性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。您也可以使用預(yù)選濾波器或EMI接收器，但這些對(duì)于大多數(shù)快速測(cè)試來說往往成本過高。記錄下假峰值，以便后期進(jìn)行對(duì)比。
圖5 給出了一個(gè)典型的峰值確認(rèn)的測(cè)試圖。在沒有衰減器的情況下，屏幕上顯示的是黃色跡線。粉紅色跡線是添加了10dB衰減后的結(jié)果。我們不難看出，峰值下降的量與衰減量相同，我們可以判定出這個(gè)峰值是真實(shí)的，而不是帶外信號(hào)的產(chǎn)物。
圖5：使用SIGLENT SSA3000X頻譜分析儀的Marker功能進(jìn)行兩次掃描的比較
一些頻譜儀的工具包功能非常近似于EMI接收器，不過這些工具包通常是選配的：
EMI濾波器：（6dB帶寬）
RBW帶寬為200 Hz，9 kHz和120 kHz
準(zhǔn)峰值（QP）檢波器
如果您猜測(cè)該DUT具有瞬態(tài)的RF脈沖，或者間歇性的數(shù)字通信，或者偶發(fā)的瞬態(tài)高功率信號(hào)，那么最好是用EMI 濾波器和準(zhǔn)峰值檢波器重新掃描一下。
將頻譜儀的中心頻率設(shè)置為感興趣的峰值頻率，將SPAN設(shè)置為指定RBW的10倍，然后將濾波器更改為EMI，將檢波器更改為準(zhǔn)峰值（QP）檢波器，然后觀察掃描。由于準(zhǔn)峰值檢波器自身特性原因，使用QP檢波器掃描時(shí)間會(huì)把一般的要長(zhǎng)。
許多頻譜分析儀都具有‘最大保持’功能?？梢猿掷m(xù)保持每個(gè)頻率點(diǎn)掃描出的最高幅值。這個(gè)功能將使得您可以將每個(gè)頻點(diǎn)的最壞的數(shù)據(jù)收集到，并加以比較。
如果可以的話，您可以使用Marker功能和峰值表功能，使其能夠清楚地顯示出峰值頻率和幅值。
EMI濾波器：（6dB帶寬）
RBW帶寬為200 Hz，9 kHz和120 kHz
準(zhǔn)峰值（QP）檢波器
如果您猜測(cè)該DUT具有瞬態(tài)的RF脈沖，或者間歇性的數(shù)字通信，或者偶發(fā)的瞬態(tài)高功率信號(hào)，那么最好是用EMI 濾波器和準(zhǔn)峰值檢波器重新掃描一下。
將頻譜儀的中心頻率設(shè)置為感興趣的峰值頻率，將SPAN設(shè)置為指定RBW的10倍，然后將濾波器更改為EMI，將檢波器更改為準(zhǔn)峰值（QP）檢波器，然后觀察掃描。由于準(zhǔn)峰值檢波器自身特性原因，使用QP檢波器掃描時(shí)間會(huì)把一般的要長(zhǎng)。
許多頻譜分析儀都具有‘最大保持’功能?？梢猿掷m(xù)保持每個(gè)頻率點(diǎn)掃描出的最高幅值。這個(gè)功能將使得您可以將每個(gè)頻點(diǎn)的最壞的數(shù)據(jù)收集到，并加以比較。
如果可以的話，您可以使用Marker功能和峰值表功能，使其能夠清楚地顯示出峰值頻率和幅值。
圖6 激活峰值表和marker標(biāo)記功能
上位機(jī)軟件
為了便于搜集EMC報(bào)告數(shù)據(jù)和屏幕截圖，SIGLENT鼎陽(yáng)還提供了一個(gè)名為EasySpectrum的免費(fèi)軟件包。它可以讓用戶快速輸入，存儲(chǔ)和調(diào)用硬件校正因子，生成Limit限制模板和生產(chǎn)掃描報(bào)告等。更多相關(guān)信息，請(qǐng)參考SSA3000X軟件頁(yè)面。
為了便于搜集EMC報(bào)告數(shù)據(jù)和屏幕截圖，SIGLENT鼎陽(yáng)還提供了一個(gè)名為EasySpectrum的免費(fèi)軟件包。它可以讓用戶快速輸入，存儲(chǔ)和調(diào)用硬件校正因子，生成Limit限制模板和生產(chǎn)掃描報(bào)告等。更多相關(guān)信息，請(qǐng)參考SSA3000X軟件頁(yè)面。
圖7 SIGLENT鼎陽(yáng)的EasySpectrum軟件的EMI掃描報(bào)告示例
3、結(jié)論
幾乎所有會(huì)產(chǎn)生射頻泄漏的商業(yè)性電子產(chǎn)品都需要進(jìn)行EMC認(rèn)證。一般的公司都會(huì)送到第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，但是這價(jià)格非常高昂，并且實(shí)驗(yàn)室本身也是需要預(yù)約的，所以對(duì)于公司來講，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的代價(jià)都很高。
通過一些簡(jiǎn)單的工具和方法，可以先行進(jìn)行預(yù)兼容測(cè)試，從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)總時(shí)間，降低成本，自行反復(fù)整改和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，也會(huì)大大減少未來產(chǎn)品的EMC問題。
幾乎所有會(huì)產(chǎn)生射頻泄漏的商業(yè)性電子產(chǎn)品都需要進(jìn)行EMC認(rèn)證。一般的公司都會(huì)送到第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，但是這價(jià)格非常高昂，并且實(shí)驗(yàn)室本身也是需要預(yù)約的，所以對(duì)于公司來講，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的代價(jià)都很高。
通過一些簡(jiǎn)單的工具和方法，可以先行進(jìn)行預(yù)兼容測(cè)試，從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)總時(shí)間，降低成本，自行反復(fù)整改和調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，也會(huì)大大減少未來產(chǎn)品的EMC問題。
評(píng)論