电磁干扰诊断技巧实例分析(上)

电磁干扰诊断技巧实例分析（上）一.前言关于电磁干扰的对策，许多刚接触的工程师往往面临一个问题，虽然看了不少对策的书籍，但是却不知要用书中的那些方法来解决产品的EMI问题。这是一个很实际的问题，看别人修改似乎没什么困难，对策加了噪声便能适当的降低，而自己修改时下了一大堆对策，找了一大堆的问题点，却总不能有效地降低噪声。事实上，这往往也是EMI修改最耗时间的地方，笔者把一些基本的判断方法做详细的介绍，以提供刚入门或正面临EMI困扰问题的读者参考，整理了一些原则与判断技巧，希望能够对读者有帮助。二.水平、垂直判断技巧EMI的测试接收天线分为水平与垂直二个极化，亦即要分别测试记录此二个天线方向的最大读值，噪声必须要在天线为水平及垂直测量时皆能符合规格，测量天线要测量量水平及垂直二个方向，除了要记录到噪声最大时的读值外，也能显示出噪声的特性，由这个特性的显示，我们可初步判断造成EMI问题的重点，对于细部的诊断是很有帮助的，通常这个方法是很容易为修改对策人员所忽略。在本期的分析中，笔者要介绍几种EMI的判图技巧，也就是如何从静态的频谱分析仪所得到的噪声频谱图做初步的分析，另外也会介绍一般对策修改人员最常用的一些动态分析技巧。许多工程师常常花了许多时间与精神，却感觉无法掌握到重点，可能就是缺乏基本分析的技巧，在噪声的判断上有一些混淆，如果能够掌握一些分析方法，可以节省不少对策的时间。这里所提的一些方法，一直被不少资深的EMI工程师视为秘诀，因为其中往往是累积了多年的心得与经验才体悟出来的方法，而这些方法通常都是非常有效的。实例一水平与垂直读值的差异图1接收天线为水平极化方向图2接收天线为垂直极化方向说明：1.这是Modem&Telephone的产品，读者可以很明显地看出来，天线水平时的噪声和垂直时的噪声有很大的差异，那么这其中代表了什么意义呢？分析讨论要清楚的认识这个问题，首先必须要了解天线的基本理论，我们先假设发射与接收天线皆为偶极天线。发射天线接收天线上图为当发射天线与接收天线同方向时，由于所产生的电磁波极化相同，故此时接收天线可得到最大的共振接收强度发射天线接收天线当发射天线与接收天线不同方向时，则由于发射天线的电磁波为水平极化，而接收天线的电磁波为垂直极化，故在共振接收的强度上最小。以上述这个观念来分析水平与垂直噪声的强度差异，当接收天线为水平时噪声强度较高，可以推测此噪声来源主要是由产品内或外的水平线所造成，而当接收天线为垂直时噪声强度较高，可以推测此噪声来源主要是由产品内或外的垂直线所造成，也就是从天线共振的角度去思考问题，把产品的辐射源也想象成一假想的天线，那么在相同方向其所造成的共振效应会最大。以这个观点来看问题有时往往很快能找到问题的重点，尤其是一些比较复杂的产品其内部及外部皆有许多导线、连接线的产品，如果能先以水平、垂直的读值做初步的分析，则比较不容易误判造成噪声的机制。实例二水平与垂直读值的差异图3图4差异：1.图3是接收天线为水平极化方向。2.图4是接收天线为垂直极化方向。说明：1.此为CCD的产品，这两张图不同于实例四是垂直噪声的读值明显比水平噪声高。分析讨论关于水平与垂直噪声的判断，笔者在此再做更详细的说明，水平噪声较高，一般必须注意在待测桌上水平部份较长的线以及产品内部水平部份的线，而垂直噪声如果是比水平噪声高，那么就必须考虑在垂直方向的线，是否造成辐射的问题，而通常最容易被忽略的就是AC电源线，因为AC电源线一般皆沿桌面下垂，所以当AC电源线被耦合到噪声，则会使得天线在垂直方向噪声增大，但是因为AC电源线无法拔掉来判断噪声是否存在，所以不容易很快判断。在此介绍二种方法以供读者使用，对于低频的噪声(小于200MHz)可以用数个Core夹上，看噪声是否降低，如果噪声降低则表示噪声是由电源线所辐射出来，对于高频的噪声(大于200MHz)则可将电源线位置改变或左右摇动，看噪声是否有变大或变小，如果噪声会随线的位置而改变，那么便表示噪声是由电源线所辐射出来。另外由于产品所造成的噪声频率点往往不只一点，而各点可能由不同的辐射机制所造成，所以可以针对单一点的噪声将频谱分析仪的频宽展开，然后天线转成水平及垂直来比较，这个方法看似简单，但对于比较复杂的系统与产品，其内部及外部连接了许多排线，通常可以有效地锁定问题的范围。笔者亦曾经处理过一件拖延甚久的案子，由于其在OPENSITE测试时，垂直读值明显高过水平读值10dB以上，且当人一靠近机器噪声亦明显降低，针对这两个现象来思考，结果发现有一短的垂直电缆线连接上下机体造成，当问题找到确定后，再做适当的对策将是非常有效。也许读者会问，水平和垂直噪声的读值一样高则如何来判断，若碰到这种情形，通常表示噪声源非常强，故内部的各种导线很容易受到耦合，例如使用某些噪声较强的IC或CPU，这时因为噪声能量较大，往往要从电路板内部与组件的Lay-out、Placement及Ground来下手，当然对策方法不止一种，诊断的方法也不只一种，可以用其它方法再仔细的分析问题。为使读者能够由实例中了解，笔者亦选取下列数例以帮助读者更了解及运用。电源线的判断图(a)图(b)图(a)为DesktopPC的噪声辐射结果，而图(b)则为在ACPower电源线加上数个Core。电源线的判断图(c)图(d)图(c)为DesktopPC在300-500MHz的噪声辐射结果，而图(d)则为改变ACPower电源线的形状，结果噪声有明显的差异。单点噪声的判断图(e)图(f)图(e)为将频谱分析仪的Span降低，单独看172MHz的噪声，此时天线为水平的方向，而图(f)则为同一角度，将天线转成垂直来看，比较二者的差异便可以知道主要为水平线辐射所造。三.最大角度判断技巧在EMI测试时，除了天线要测试水平与垂直二个极化方向外，待测物的桌子并且要旋转360度，记录最大的噪声读值，因此当发现噪声无法符合时，除了先判断水平和垂直噪声的差异外，便是要将待测物旋转到最大的噪声位置，由于电子产品其噪声的辐射往往会在某一个角度最大，而此时待测物面向天线的位置，往往是造成辐射的来源，通常要分析这位置附近的组件、导线及屏蔽效果，如此则较容易锁定范围，再仔细分析问题。实例三最大角度的判断图5图6差异：1.图5是待测物正面对向接收天线。2.图6是待测物侧面对向接收天线。说明：1.这两张图是待测物面对接收天线不同的角度，由于角度的不同，很明显地噪声的强度也有很大的差别。分析讨论比较上两图，由于待测物面对天线的位置不同，则噪声强度明显的不同，这也说明了噪声源是在产品的某一部份，亦即靠近天线最大时的位置部份必须仔细分析诊断。这个判断方法也是如前一样，可能会遇到不管桌子是转在那一个角度，噪声强度皆是一样高，如果碰到这种产品，一般而言是较难处理的，因为待测物的每一个方向噪声皆一样强，表示此噪声源已将机器内的每一部份皆感染，处理这一类机器的EMI问题，通常要花一些时间，有时则要使用金属弹片、铜箔或喷导电漆来抑制噪声。最大角度的判断图(g)图(h)图(g)为将PC待测物转到最大角度，而图(h)则为用手按前面喷导电漆的塑料壳，结果噪声明显降低，故表示要加强导电漆与金属铁壳的密合导通效果。最大角度的判断图(i)图(j)图(i)为将将PC待测物转到最大角度，而图(j)则为用铜箔贴在面对天线的PC前缘外壳上，结果噪声明显降低，故表示要加强该处的屏蔽密合效果。四.Commonmode与Differentialmode的判断技巧关于Commonmode和Differentialmode的分析，相信只要接触过电磁干扰理论的读者都略知一二，许多书中也强调Commonmode和Differentialmode的重要，并有详尽的图解说明其分别造成的机制，有的文章甚且长篇大论分析了一大堆理论，看了之后对Commonmode和Differentialmode是了解许多，但是对于如何应用与判断，可能还是有雾里看花，摸不着头绪的感觉。这主要的原因便是缺少实际测试图形的配合分析，因此笔者将重点放在实际应用分析来说明Commonmode和Differentialmode。实例四共模与异模的判断图7图8差异：1.图7是含有共模和异模噪声的CCD产品。2.图8是待测物电源关闭后的背景噪声。说明：1.这两张图是比较共模和异模的判断。分析讨论图7是一般测试时最常见到的噪声频谱图形，在此我们做一详细的分析。首先看整个频带的基线(Baseline)，其特性为一宽带的噪声，比较图8为机器关机时频谱分析仪的图形，愈高频基线愈高是因加了天线因子(AntennaFactor)的原因，亦即高于图8基线的整个宽带噪声，我们可以视为Commonmode的噪声，而其上一支支单独的噪声可以视为Differentialmode噪声。将噪声分布情形分成Commonmode和Differentialmode的作用为何，主要便是要判断其分别造成的辐射来源机制，如此帮助找到问题点及对策的方法。造成Commonmode的原因主要是接地(Ground)与屏蔽(Shield)，也就是当发现Commonmode的噪声非常高时，则要先考虑产品内的接地与屏蔽的问题。而造成Differentialmode的原因则主要是线的问题，包括电路板上的trace线、产品内部的各种导线及外部的连接线，故要从各各在线来找出问题，能够从这两个方面先把问题厘清，对于深入细部的修改是很有帮助的。为使读者能更清楚认识与运用这个观念，笔者再以下例详细说明实例五共模的分析图9图10差异：1.图9是一次侧接地和二次侧的地连接在一起。2.图10是将一次侧接地和二次侧的地分开。说明：1.此为切换式电源供应器的产品，这两张图是说明不同接地方式所造成的影响。实例六异模的分析图11图12差异：1.图11是传真机接上电话线。2.图12是传真机的电话线取下。说明：1.这两张图是说明因为外接线所造成异模辐射的效应。分析讨论关于共模和异模的分析，在实际的产品噪声辐射中，往往是相互混合的，有时无法单纯的将其分成共模和异模，这点在对策考虑时也必须做多方的判断，以噪声能量的观点来看，当噪声能量大多分布在Ground上，则此时在频谱仪上则会看到Broadband的噪声明显升高，若噪声能量大多分布在Trace上，则此时在频谱仪上会看到Differentialmode的Narrowband噪声会增加。GroundTraceVN=INRGVN∞INATLTAntenna但是在实际电路板上，噪声的能量是同时会分布在Ground和Trace上，所以当Ground的面积加大(RG减小)或Ground的噪声减小(IN减小)，不仅Commonmode的辐射可降低，同时Differentialmode也会随之降低，因为原先在Trace上噪声的能量一部份可被Ground所吸收，而将Trace的路径减短或面积减小，则除了降低Differentialmode的噪声外，因为辐射的天线减小后，相对地Ground噪声藉Trace所辐射的量自然也就比较小，因此这二者之间往往存在着相互转换的关系。对于这个观念必须能够清楚地了解与认识，这一点在电路板的Layout与对策上是非常重要的，也就是对噪声的防制要能够有整体的认识，而非单独针对几个组件下对策。事实上，从许多的例子可以看到，只是单纯在Crystral上加一些电阻、电容和电感(Bead)，通常无法有效地去抑制噪声噪声，下面这个例子即是实际在Terminal产品上针对Oscillator对策的电路图上述的范例在早期一直被一些对策人员视为秘籍，许多初学者看到后总觉得如获至宝，像上例为了抑制噪声，共使用了三个电容、四个电感和一个电阻，工程可谓浩大，但是否表示就可以有效抑制噪声的辐射，答案是否定的。这也是许多R&D工程师刚开始遇到EMI困扰时，总是信心满满认为只要在适当的地方加上滤波对策即可，结果花了许多时间却一直不能放弃噪声而感到困扰与挫折。这是因为没有对噪声的特性先做一评估，又缺少EMI整体对策的观念，所以有时低频噪声抑制下来，结果高频却又无法符合，或者120MHz噪声