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電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

嘉峪檢測網        2019-10-29 16:00

1電磁兼容概述

 

 

通俗易懂來說,電磁兼容是指同處于電磁波環境中能執行各自功能的共存狀態,既要求都能正常工作又互不干擾,達到“兼容”狀態。

電磁兼容的測試項目有很多,在電磁兼容試驗中,每一個測試項目都是通過模擬電磁環境中的某一種干擾或抗干擾方式對產品所進行測試,以此評價產品干擾或抗干擾的影響程度。如靜電放電抗擾度試驗實質上是模擬具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移,在電荷轉移過程中對電路引起的干擾是否造成電子產品功能紊亂,從而評價被測設備靜電放電抗干擾程度;電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗實質上是一連串的暫態脈沖(脈沖群)騷擾,是否會引起電路乃至設備的誤動作或性能降低,從而評價設備能正常工作抗暫態脈沖(脈沖群)的干擾程度;還有其它電磁兼容試驗項目如工頻磁場抗擾度、浪涌抗擾度、振鈴波抗擾度、射頻場感應的傳導抗擾度、脈沖磁場抗擾度以及電壓變化、電壓波動和閃爍試驗、傳導騷擾等等。 其中有一個非常重要的測試項目輻射發射又稱輻射騷擾(以下稱之為輻射發射),主要是指能量以電磁波的形式由源發射到空間,并在空間傳播的現象,對周圍環境中的設備是否造成干擾。

輻射發射測試是電磁兼容的重要內容,也是測試最不容易通過的項目。不同的設備測試輻射發射,都需選取相應的產品標準,按照不同的設備等級或分類,來確定被測試設備EUT的測量限值或測試需求。

 

 

2輻射發射測試和結果分析

 

 

輻射發射測試能力和整改水平,是衡量一個實驗室電磁兼容水平最直觀的因素。

輻射發射測試示意圖:

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖1 測試示意圖

測試設備:EMI接收機、高/低頻接收天線、天線塔、測試軟件等。

測試環境:電波暗室。

測量距離:是指EUT最接近天線的一點與天線中心在地面上投影間的距離。分為3米法和10米法。

天線高度:天線距離地面的高度應在規定的范圍內變化,以便獲得直射波和反射波同相位時會出現的最大讀數。測試時,天線有水平和垂直兩種狀態,天線高度在1米到4米間上下變化。

頻率范圍:30MHz-18GHz。

測試過程中的關鍵步驟:

  1. 將EUT放置于測試桌子上,按相應產品標準擺放EUT;

  2. 打開EUT電源開關,將EUT調到正常工作模式進行測試;

  3. 按EUT產品設定標準限值和測試頻率,點擊測試軟件進行測試;

  4. 測試先用峰值檢波器預掃,測試結果以準峰值為準,準峰值大于標準限值則不合格,準峰值小于標準限值則合格;

  5. 打開EUT另一個工作模式,重復3到4的測試,直到EUT的工作模式測試完。其中只要有一個工作模式不合格則該產品輻射發射不合格。

如測試30MHz-6GHz頻段不合格結果圖情形:

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖2  30MHz-1GHz

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖3  1GHz-6GHz

造成輻射發射超標的原因是多方面的,如接口濾波不好,結構屏效低,電纜設計有缺陷都有可能導致輻射發射超標,但產生輻射的原因存在于不同的設計階段。

在元器件布局階段需要注意:

  1. 接口信號的濾波、防護和隔離等器件是否靠近接口連接器放置,先防護,后濾波;電源模塊、濾波器、電源防護器件是否靠近電源的入口放置,盡可能保證電源的輸入線最短,電源的輸入輸出分開,走線互不交叉;

  2. 晶體、晶振、繼電器、開關電源等強輻射器件或敏感器件是否遠離單板拉手條、連接器;

  3. 濾波電容是否靠近IC的電源管腳放置,位置、數量適當;

  4. 時鐘電路是否靠近負載,且負載均衡放置;

  5. 接口濾波器件的輸入、輸出是否未跨分割區;除光耦、磁珠、隔離變壓器、A/D、D/A等器件外,其它器件是否未跨分割區。

在PCB布線階段需要注意:

  1. 電源、地的布線處理無地環路,電源及與對應地構成的回路面積小;

  2. 差分信號線對是否同層、等長、并行走線,保持阻抗一致,差分線間無其他走線;

  3. 時鐘等關鍵信號線是否布內層(優先考慮優選布線層),并加屏蔽地線或與其他布線間距滿足3W原則,關鍵信號走線是否未跨分割區;

  4. 是否無其他信號線從電源濾波器輸入線下走線,濾波器等器件的輸入、輸出信號線是否未互相并行、交叉走線。

 

 

3案例與整改攻略

 

 

一  案例(本案例來源于濾波器公眾號)

該產品為野外攝像機,內分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲卡和電池五部分組成,外殼為塑膠殼,小板僅有兩個接口:DC5V 外接電源接口和數據傳輸的USB 接口。經過輻射測試發現有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。

原始測試數據如下:

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖4 測試圖

二  問題分析

 該產品外殼結構塑膠外殼,是非屏蔽材料,整機測試只有電源線和USB 線引出殼體,難道干擾頻點是由電源線和USB 線輻射出來的嗎?故分別作了一下幾步測試:

  1. 僅在電源線上加磁環,測試結果:改善不明顯;

  2. 僅在USB 線上加磁環,測試結果:改善仍然不明顯;

  3. 在USB 線和電源線都加磁環,測試結果:改善較明顯,干擾頻點整體有所下降。

    從上可得,干擾頻點是從兩個接口帶出來的,并非是電源接口或USB 接口的問題,而是內部干擾頻點耦合到這兩個接口所導致的,僅屏蔽某一接口不能解決問題。

    經過近場量測發現,干擾頻點來之于核心控制板的一個32.768KHz 的晶振,產生很強的空間輻射,使得周圍的走線和GND 都耦合了32.768KHz 諧波雜訊,再通過接口USB 線和電源線耦合輻射出來。而該晶振的問題在于以下兩點問題所導致的:

  1. 晶振距離板邊太近,易導致晶振輻射雜訊。

  2. 晶振下方有布信號線,,這易導致信號線耦合晶振的諧波雜訊。

  3. 濾波器件放在晶振下方,且濾波電容與匹配電阻未按照信號流向排布,使得濾波器件的濾波效果變差。

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖5 晶振位置

三 解決對策

根據分析得出以下對策:

  1. 晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優先放置,遠離板邊;

  2. 切記不能在晶體擺放區域和下方投影區內布地;

  3. 晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,且靠近晶體擺放整齊緊湊;

  4. 晶體靠近芯片處擺放,兩者間的走線盡量短而直。

    可以參考如下圖布局方式:

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖6 布局圖

經整改后,樣機測試結果如下:

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖7 測試結果圖

四 結論

現今很多系統晶振現今很多系統晶振時鐘頻率高,干擾諧波能量強;干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導出來,還會從空間輻射出來,若布局不合理,容易造成很強的雜訊輻射問題,而且很難通過其他方法來解決,因此在PCB 板布局時對晶振和CLK 信號線布局非常重要。

 

4整改攻略之展頻技術

 

 

上述整改手法比較常規,對輻射發射超標情況,尤其是晶振問題造成的,最有效的手段就是展頻技術。

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖8 展頻原理

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖9 展頻應用

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖10 展頻特點

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖11 展頻前測試結果

電磁兼容之輻射發射測試與整改方法

圖12 展頻后測試結果

 

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來源:韜略科技EMC

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