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产品中的电磁场问题及故障诊断技巧分享

由于电磁能量源为时变的电压源或电流源,因此当非常接近这些电源时主要的场分量为电场(E)或磁场(H)。通常,导线或PCB走线都被认为是主要的磁场源,而高电压(开关器件的工作动点)产生的主场分量为电场。考虑这种问题的另外一种方式,即电流环路是主要的磁场源,而金属表面比如散热器(开关器件散热)是主要的电场源。-《开关电源电磁兼容分析与设计》

因此,电路印制线产生的是电场还是磁场,取决于其与环路更相关还是与产品中的金属体更相关。这些源可使用近场探头确定,也因此近场探头设计用来测量主要磁场或主要电场。

如图1所示,高阻抗电路其常常与高电压相关,通常会产生高电平的电场。而低阻抗电路其常常与大电流环路相关,通常会产生高电平的磁场。

当探头或接收天线远离电磁能量源超过大约1/6波长时,电场和磁场的阻抗趋于自由空间的波阻抗-大约为377Ω,电磁场将成为平面波。由于所有天线都能对电场和磁场产生响应,因此通常都使用天线来测量电场或磁场。当评估产品产生的辐射发射时,测量天线主要测量一定距离-通常为3m或10m处的电磁场。

图1.给出近场和远场及波阻抗之间的关系及电磁场在产品中的影响

图1为我课题中的PPT图资料:对于小环天线结构,比如短的电缆或电路PCB走线,其与自身干扰能量的波长相比是短的,通常为弱的辐射体。他们发射的能量随着距离的三次方(1/D3)快速地进行衰减。因此,磁场源与接收电路或导线通常必须非常地接近且位于近场范围内。才会产生磁场耦合。

导线和金属面板或金属背板为高阻抗的电场源。他们发射的能量,不像磁场衰减得那样快,而是随着距离的二次方(1/D2)进行衰减。他们可以与其他高阻抗电路、导线或金属板实现最佳耦合。这些金属结构之间必须非常接近且位于近场范围内。这就是所说的容性电场耦合。

在这里给出电子设计工程师在需要计算时的参考数据:当1/6波长仍位于过渡区内时,通常认为3λ的距离可确保为远场。λ/16则确保为近场。

注意:在远场中,电场和磁场引起噪声问题的潜在概率是相等的。要确定的是哪种场在实际中影响最显著?敏感电路是什么?敏感电路具有更大的暴露的环路面积,是会对磁场敏感,还是会对电场敏感?!如何进行问题诊断呢?

再给出电磁干扰问题的故障诊断技巧

有许多的方法可以对电磁干扰问题进行分析和整改。在这里推荐EMC故障诊断的4个基本且常用的步骤可供电子设计工程师来参考。

1)分离识别干扰源

这个操作的目的是尝试去掉元件、分系统或相关设备,以确认他们是否对EMI问题产生了影响。比如,如果问题是辐射发射,应尝试移走受试设备(EUT)的辅助设备以确认问题是出自辅助设备还是EUT。由于线缆通常为辐射源,因此另一种好的试验方法是移走所有不必要的连接线电缆。如果EUT仍然还是超过发射限值,那么出问题的可能是屏蔽壳体或PCB设计,应首先先处理优化或者是解决他们。

2)主要干扰源的影响效应

特定频率的谐波发射通常是由多个源或辐射结构产生,这些源或辐射结构中的一个可能是主要的,要比其它的干扰源或辐射结构的发射要强。当使用一种或多种可能的解决方法,定位到主要的发射源时才可能看到发射的减小。通常最佳的做法是,使用所有潜在的解决方法使测试产品合格。然后再开始逐一地去掉所使用的解决方法,最后找出到底是哪些方法可以解决问题了。

3)一直加措施的策略

这里使用的方式是不考虑成本和复杂性,先使用一切办法使产品合格。然后再回过头来进行简化,以确定成本最低的解决方法。很多时候,由于有些潜在的EMI解决办法成本过高或过于复杂,所以并没有去尝试使用这些办法。首先采用一直加措施的方法通过符合性试验,然后再减少一些无关的措施,降低成本。

4)采用EMC理论体系的解决方法;

这也是依据实践经验的故障诊断技巧总结的分享

注意:当故障问题的工作频率为几十MHz或几百MHz时,不建议轻率地采用简单焊接器件的解决办法。比如,如果确定在某个位置使用电容器可解决问题,但焊接的电容器件具有较长的引线,这个长引线的电感属性将会影响电容器的性能,尤其是在较高的频率下。在较高频率下,应尽可能地使用引线长度最短的元件或贴片器件。

另外一个典型案例是屏蔽电缆和外壳之间需要做好射频搭接。电缆屏蔽层或电路板和外壳之间连接的短导线(或者是软编织线)在所考虑的谐波频率时很可能不具有足够低的阻抗。为了使搭接更为有效,需要进行多次连接。再比如采用3600低阻抗的环绕连接。简单的问题,正确的去做,是很关键的。

对于产品的较正确的电磁干扰问题诊断及整改过程如图2所示。

图2 电磁干扰问题的故障诊断及思路

解决电磁干扰问题的重要技巧,是能够识别提供能量的源和潜在的耦合路径,以及理解接收器和接收电路。

注意:对于EMI发射和抗扰度的问题,四种耦合结构/电路路径同样有效。对于辐射发射,接收器通常为EMC测试设施中使用的EMI接收机或频谱分析仪。产品或系统产生的发射通常具有规定的限值。根据产品或系统及预期的使用环境,这些限值可能非常低或高。在实际环境中,接收器可能是任何通信系统或其他设备。

对于抗扰度问题,能量源可能为ESD、附近的两路射频发射机或电源线浪涌或瞬态干扰;也可能为产生噪声的设备,如电源线上连接的电机或滤波不好的开关电源系统。

对于发射问题,干扰源的识别通常最容易。可以使用近场探头(磁场或电场)确定最大能量的电平。最常见的内部干扰源有时钟振荡器、大功率驱动器、A-D/D-A转换器、专用集成电路、电源变压器、开关器件或任何具有快速上升沿的高频数字信号。还可以尝试在单个电源和I/O信号电缆上使用射频电流探头确定发射源。

对于200MHz左右及以下的多数辐射发射问题,由连接线电缆产生的辐射发射问题要比设备外壳或内部电路直接产生的多。这个理论与实践的内容请参考《开关电源电磁兼容分析与设计》。

对于抗扰度问题,能量源在外部,因此这些源包括射频发射、ESD及不同的电源线的瞬态和浪涌。对ESD或电源线瞬态进行监测,可将这些现象与出现的问题相联系并进行识别。这些抗扰度问题的故障诊断请参考《物联产品电磁兼容分析与设计》。

一旦识别出了潜在的骚扰源,下一步是识别潜在的耦合路径。这种故障诊断都会有些小技巧。一旦已知了骚扰源,可用下面的方式识别耦合路径。

传导耦合:通常情况下,如果路径为传导耦合路径,将处理的是导线或电缆线束上的时变(交流或射频)电流,这些电流可能没进行足够的滤波或去耦。这种电流必须先传输到远端的位置或负载,然后通过另外一条导线或连接线电缆束返回到骚扰源端。

另一种常见的情况是噪声源和受扰电路之间具有公共的返回路径。干扰电流与环路的长度无关,因此如果能尽力把骚扰源和接收器或受扰电路从物理上相隔开,干扰问题仍会存在,那么这个问题的产生原因通常就是传导耦合了。当然,辐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,增加干扰源和接收器之间的物理距离可显著地减小干扰或对电路的影响。比如,干扰源为电源变压器,应尝试着把变压器连接在延长的导线上,使得其位于不同的方向或距离上。如果干扰源为开关电源的散热片,可暂时把散热片移走然后看是否解决了问题。如果移走散热片电源工作起来不安全,那就尽力使用附加的非导电但导热的垫子或隔离物以减小寄生电容。

散热片也会与附近的连接线电缆产生容性耦合。当监测干扰时应尝试移动连接线电缆。感性耦合通常出现在电缆和PCB之间或两条连接线电缆之间。此外,使用隔离手段通常也能验证耦合机理是否为感性的。

对于辐射发射测试,辐射耦合主要是由于EUT连接线电缆或壳体上的缝隙产生的发射通过空间耦合传播给EMI接收天线。

增加EUT和EMI天线之间的物理间隔通常并不能使谐波的幅值产生非常大的变化。

在前面的文章-【电磁干扰及电磁兼容问题中的干扰能量是如何传递的】有进行详细的分析和说明,可供参考。

同时这也是典型四种耦合的判断和分析方法。详细内容还可参考《开关电源电磁兼容分析与设计》书中的具体内容。其书中的视频内容或许将会给广大读者带来非常大的帮助。

《开关电源电磁兼容的分析与设计》与《物联产品电磁兼容分析与设计》都是以实用为目的,将复杂的理论简单化,化繁为简、化简为易,从而简化了冗长的理论,可以作为在企业从事电子产品开发的部门主管、EMC设计工程师、EMC整改工程师、EMC认证工程师、硬件开发工程师、PCB LAYOUT工程师、结构设计工程师、测试工程师、品管工程师、系统工程师等研发人员进行EMC设计的参考资料

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