電磁干擾診斷技巧實(shí)例分析教材

1、電磁干擾診斷技巧實(shí)例分析. 前言關(guān)于電磁干擾的對(duì)策，許多剛接觸的工程師往往面臨一個(gè)問(wèn)題，雖然看了不少對(duì)策 的書(shū)籍，但是卻不知要用書(shū)中的那些方法來(lái)解決產(chǎn)品的 EMI 問(wèn)題。這是一個(gè)很實(shí)際的問(wèn) 題，看別人修改似乎沒(méi)什么困難，對(duì)策加了噪聲便能適當(dāng)?shù)慕档?，而自己修改時(shí)下了一 大堆對(duì)策，找了一大堆的問(wèn)題點(diǎn)，卻總不能有效地降低噪聲。事實(shí)上，這往往也是 EMI 修改最耗時(shí)間的地方，筆者把一些基本的判斷方法做詳細(xì) 的介紹，以提供剛?cè)腴T(mén)或正面臨 EMI 困擾問(wèn)題的讀者參考，整理了一些原則與判斷技 巧，希望能夠?qū)ψx者有幫助。二 . 水平、垂直判斷技巧EMI 的測(cè)試接收天線分為水平與垂直二個(gè)極化，亦即要分別測(cè)試記錄

2、此二個(gè)天線方 向的最大讀值，噪聲必須要在天線為水平及垂直測(cè)量時(shí)皆能符合規(guī)格，測(cè)量天線要測(cè)量 量水平及垂直二個(gè)方向，除了要記錄到噪聲最大時(shí)的讀值外，也能顯示出噪聲的特性， 由這個(gè)特性的顯示，我們可初步判斷造成 EMI 問(wèn)題的重點(diǎn)，對(duì)于細(xì)部的診斷是很有幫助 的，通常這個(gè)方法是很容易為修改對(duì)策人員所忽略。在本期的分析中，筆者要介紹幾種 EMI 的判圖技巧，也就是如何從靜態(tài)的頻譜分析儀所得到的 噪聲頻譜圖做 初步的 分析，另 外也會(huì)介 紹一般對(duì) 策修改人員 最常用 的一些動(dòng)態(tài) 分析技 巧。許多工程師常?；嗽S多時(shí)間與精神，卻感覺(jué)無(wú)法掌握到重點(diǎn)，可能就是缺乏基本 分析的技巧，在噪聲的判斷上有一些混淆，如

3、果能夠掌握一些分析方法，可以節(jié)省不少 對(duì)策的時(shí)間。這里所提的一些方法，一直被不少資深的 EMI 工程師視為秘訣，因?yàn)槠渲?往往是累積了多年的心得與經(jīng)驗(yàn)才體悟出來(lái)的方法，而這些方法通常都是非常有效的。實(shí)例一 水 平與垂直讀值的差異說(shuō)明 ：1. 這是 Modem&Telephone 的產(chǎn)品，讀者可以很明顯地看出來(lái)，天線水平時(shí)的噪 聲和垂直時(shí)的噪聲有很大的差異，那么這其中代表了什么意義呢？分析討論 要清楚的認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題，首先必須要了解天線的基本理論，我們先假設(shè)發(fā)射與接收 天線皆為偶極天線。發(fā)射 天線接收 天線上圖為當(dāng)發(fā)射天線與接收天線同方向時(shí)，由于所產(chǎn)生的電磁波極化相同，故此時(shí)接收天 線可得到最大的

4、共振接收強(qiáng)度接收天線發(fā)射天線當(dāng)發(fā)射天線與接收天線不同方向時(shí)，則由于發(fā)射天線的電磁波為水平極化，而接收 天線的電磁波為垂直極化，故在共振接收的強(qiáng)度上最小。以上述這個(gè)觀念來(lái)分析水平與垂直噪聲的強(qiáng)度差異，當(dāng)接收天線為水平時(shí)噪聲強(qiáng)度 較高，可以推測(cè)此噪聲來(lái)源主要是由產(chǎn)品內(nèi)或外的水平線所造成，而當(dāng)接收天線為垂直 時(shí)噪聲強(qiáng)度較高，可以推測(cè)此噪聲來(lái)源主要是由產(chǎn)品內(nèi)或外的垂直線所造成，也就是從 天線共振的角度去思考問(wèn)題，把產(chǎn)品的輻射源也想象成一假想的天線，那么在相同方向 其所造成的共振效應(yīng)會(huì)最大。以這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看問(wèn)題有時(shí)往往很快能找到問(wèn)題的重點(diǎn)，尤其是一些比較復(fù)雜的產(chǎn)品 其內(nèi)部及外部皆有許多導(dǎo)線、連接線的產(chǎn)品，

5、如果能先以水平、垂直的讀值做初步的分 析，則比較不容易誤判造成噪聲的機(jī)制。實(shí) 例 二 水 平 與 垂 直 讀 值 的 差 異圖3圖4差異：1. 圖 3 是接收天線為水平極化方向。2. 圖 4 是接收天線為垂直極化方向。說(shuō)明：1. 此為 CCD的產(chǎn)品，這兩張圖不同于實(shí)例四是垂直噪聲的讀值明顯比水平噪聲高。分 析 討論關(guān)于水平與垂直噪聲的判斷，筆者在此再做更詳細(xì)的說(shuō)明，水平噪聲較高，一般必 須注意在待測(cè)桌上水平部份較長(zhǎng)的線以及產(chǎn)品內(nèi)部水平部份的線，而垂直噪聲如果是比 水平噪聲高，那么就必須考慮在垂直方向的線，是否造成輻射的問(wèn)題，而通常最容易被 忽略的就是 AC 電源線，因?yàn)?AC電源線一般皆沿桌面

6、下垂，所以當(dāng) AC 電源線被耦合到 噪聲，則會(huì)使得天線在垂直方向噪聲增大，但是因?yàn)?AC 電源線無(wú)法拔掉來(lái)判斷噪聲是 否存在，所以不容易很快判斷。在此介紹二種方法以供讀者使用，對(duì)于低頻的噪聲（小于 200MHz ） 可以用數(shù)個(gè) Core夾上，看噪聲是否降低，如果噪聲降低則表示噪聲是由電源線所輻射出來(lái)，對(duì)于高頻的 噪聲 （ 大于 200MHz ） 則可將電源線位置改變或左右搖動(dòng)，看噪聲是否有變大或變小，如 果噪聲會(huì)隨線的位置而改變，那么便表示噪聲是由電源線所輻射出來(lái)。另外由于產(chǎn)品所造成的噪聲頻率點(diǎn)往往不只一點(diǎn)，而各點(diǎn)可能由不同的輻射機(jī)制所 造成，所以可以針對(duì)單一點(diǎn)的噪聲將頻譜分析儀的頻寬展開(kāi)，然

7、后天線轉(zhuǎn)成水平及垂直來(lái)比 較，這個(gè)方法看似簡(jiǎn)單，但對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)與產(chǎn)品，其內(nèi)部及外部連接了許多排線，通常 可以有效地鎖定問(wèn)題的范圍。筆者亦曾經(jīng)處理過(guò)一件拖延甚久的案子，由于其在 OPEN SITE 測(cè)試時(shí)，垂直讀值明 顯高過(guò)水平讀值 10dB 以上，且當(dāng)人一靠近機(jī)器噪聲亦明顯降低，針對(duì)這兩個(gè)現(xiàn)象來(lái)思 考，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一短的垂直電纜線連接上下機(jī)體造成，當(dāng)問(wèn)題找到確定后，再做 適當(dāng)?shù)?對(duì)策將是非常有效。也許讀者會(huì)問(wèn)，水平和垂直噪聲的讀值一樣高則如何來(lái)判斷，若碰到這種情形，通 常表示噪聲源非常強(qiáng)，故內(nèi)部的各種導(dǎo)線很容易受到耦合，例如使用某些噪聲較強(qiáng)的 IC或CPU ，這時(shí)因?yàn)樵肼暷芰枯^大，往往要從

8、電路板內(nèi)部與組件的Lay -out 、Placement及 Ground 來(lái)下手，當(dāng)然對(duì)策方法不止一種，診斷的方法也不只一種，可以用其它方法 再仔細(xì)的分析問(wèn)題。為使讀者能夠由實(shí)例中了解，筆者亦選取下列數(shù)例以幫助讀者更了 解及運(yùn)用。電源線的判斷圖(a) 為Desktop PC的噪聲輻射結(jié)果，而圖(b) 則為在AC Power 電源線加上數(shù)個(gè) Core 。電源線的判斷圖 (c) 為 Desktop PC在 300-500MHz 的噪 聲輻射結(jié)果，而圖 (d) 則為改 變 AC Power 電 源 線的形狀，結(jié)果噪聲有明顯的差異。單點(diǎn)噪聲的判斷圖 ( f)圖 (e) 為將 頻譜分析儀的Span降低，

9、單 獨(dú)看 172MHz的噪聲，此時(shí) 天線為 水平 的方 向，而圖 (f) 則為同一角度，將天線轉(zhuǎn)成垂直來(lái)看，比較二者的差異便可以知道主要為 水平線輻射所造。三 . 最大角度判斷技巧在 EMI 測(cè)試時(shí)，除了天線要測(cè)試水平與垂直二個(gè)極化方向外，待測(cè)物的桌子并且要 旋轉(zhuǎn) 360 度，記錄最大的噪聲讀值，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)噪聲無(wú)法符合時(shí)，除了先判斷水平和垂 直噪聲的差異外，便是要將待測(cè)物旋轉(zhuǎn)到最大的噪聲位置，由于電子產(chǎn)品其噪聲的輻射 往往會(huì)在某一個(gè)角度最大，而此時(shí)待測(cè)物面向天線的位置，往往是造成輻射的來(lái)源，通 常要分析這位置附近的組件、導(dǎo)線及屏蔽效果，如此則較容易鎖定范圍，再仔細(xì)分析問(wèn) 題。實(shí)例三 最大 角度

10、 的判斷圖5圖6差異：1. 圖 5是待測(cè)物正面對(duì)向接收天線。2. 圖 6是待測(cè)物側(cè)面對(duì)向接收天線。說(shuō)明 ：1. 這兩張圖是待測(cè)物面對(duì)接收天線不同的角度，由于角度的不同，很明顯地噪聲的強(qiáng)度 也有很大的差別。分 析 討論比較上兩圖，由于待測(cè)物面對(duì)天線的位置不同，則噪聲強(qiáng)度明顯的不同，這也說(shuō)明 了噪聲源是在產(chǎn)品的某一部份，亦即靠近天線最大時(shí)的位置部份必須仔細(xì)分析診斷。 這個(gè)判斷方法也是如前一樣，可能會(huì)遇到不管桌子是轉(zhuǎn)在那一個(gè)角度，噪聲強(qiáng)度皆是一 樣高，如果碰到這種產(chǎn)品，一般而言是較難處理的，因?yàn)榇郎y(cè)物的每一個(gè)方向噪聲皆一 樣強(qiáng)，表示此噪聲源已將機(jī)器內(nèi)的每一部份皆感染，處理這一類(lèi)機(jī)器的 EMI 問(wèn)題，

11、通常 要花一些時(shí)間，有時(shí)則要使用金屬?gòu)椘?、銅箔或噴導(dǎo)電漆來(lái)抑制噪聲。最大角度的判斷圖 (g) 為將 PC待測(cè)物轉(zhuǎn)到最大角度，而圖(h) 則為用手按前面噴導(dǎo)電漆的塑料殼，結(jié)果噪聲明顯降低，故表示要加強(qiáng)導(dǎo)電漆與金屬鐵殼的密合導(dǎo)通效果。最大角度的判斷圖 (i) 為將將 PC待測(cè)物轉(zhuǎn)到最大角度，而圖(j) 則為用銅箔貼在面對(duì)天線的PC前緣外殼上，結(jié)果噪聲明顯降低，故表示要加強(qiáng)該處的屏蔽密合效果四 . Common mode 與 Differential mode 的判斷技巧關(guān)于 Common mode 和 Differential mode 的分析，相信只要接觸過(guò)電磁干擾理論的 讀者都略知一二，許多書(shū)

12、中也強(qiáng)調(diào) Common mode 和 Differential mode 的重要，并有詳 盡的圖解說(shuō)明其分別造成的機(jī)制，有的文章甚且長(zhǎng)篇大論分析了一大堆理論，看了之后 對(duì) Common mode 和 Differential mode 是了解許多，但是對(duì)于如何應(yīng)用與 判斷，可能還 是有霧里看花，摸不著頭緒的感覺(jué)。這主要的原因便是缺少實(shí)際測(cè)試圖形的配合分析， 因此筆者將重點(diǎn)放在實(shí)際應(yīng)用分析來(lái)說(shuō)明Common mode 和 Differential mode 。實(shí) 例 四 共 模 與 異 模 的 判 斷圖7差異：1. 圖7是含有共模和異模噪聲的 CCD產(chǎn)品 2.圖8是待測(cè)物電源關(guān)閉后的背景噪聲。說(shuō)

13、明 ：1.這兩張圖是比較共模和異模的判斷分 析 討論圖 7 是一般測(cè)試時(shí)最常見(jiàn)到的噪聲頻譜圖形，在此我們做一詳細(xì)的分析。首先看整 個(gè)頻帶的基線 (Base line ) ，其特性為一寬帶的噪聲，比較圖8為機(jī)器關(guān)機(jī)時(shí)頻譜分析儀的圖形，愈高頻基線愈高是因加了天線因子( Antenna Factor ) 的原因，亦即高于圖 8基線的整個(gè)寬帶噪聲，我們可以視為 Common mode 的噪聲，而其上一支支單獨(dú)的噪聲可 以 視 為 Differential mode 噪 聲 。 將 噪 聲 分 布 情 形 分 成 Common mode 和 Differential mode 的作用為何，主要便是要判斷

14、其分別造成的輻射來(lái)源機(jī)制，如此幫助找到問(wèn)題點(diǎn) 及對(duì)策的方法。造成 Common mode 的原因主要是接地 ( Ground ) 與屏蔽 ( Shield ) ，也就是當(dāng)發(fā)現(xiàn) Common mode 的噪聲非常高時(shí)，則要先考慮產(chǎn)品內(nèi)的接地與屏蔽的問(wèn)題。而造成 Differential mode 的原因則主要是線的問(wèn)題，包括電路板上的 trace 線、產(chǎn)品內(nèi)部的各 種導(dǎo)線及外部的連接線，故要從各各在線來(lái)找出問(wèn)題，能夠從這兩個(gè)方面先把問(wèn)題厘 清，對(duì)于深入細(xì)部的修改是很有幫助的。為使讀者能更清楚認(rèn)識(shí)與運(yùn)用這個(gè)觀念，筆者再以下例詳細(xì)說(shuō)明實(shí)例五共模的分析差異：1. 圖9是一次側(cè)接地和二次側(cè)的地連接在一起

15、。2. 圖10是將一次側(cè)接地和二次側(cè)的地分開(kāi)。說(shuō)明 ：1.此為切換式電源供應(yīng)器的產(chǎn)品，這兩張圖是說(shuō)明不同接地方式所造成的影響。實(shí) 例 六 異 模 的 分 析圖 11圖 12差異：1.圖11是傳真機(jī)接上電話線。2.圖12是傳真機(jī)的電話線取下說(shuō)明 ：1.這兩張圖是說(shuō)明因?yàn)橥饨泳€所造成異模輻射的效應(yīng)。分 析 討論關(guān)于共模和異模的分析，在實(shí)際的產(chǎn)品噪聲輻射中，往往是相互混合的，有時(shí)無(wú)法 單純的將其分成共模和異模，這點(diǎn)在對(duì)策考慮時(shí)也必須做多方的判斷，以噪聲能量的 觀 點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)噪聲能量大多分布在 Ground 上，則此時(shí)在頻譜儀上則會(huì)看到 Broadband 的 噪聲明顯升高，若噪聲能量大多分布在 Tr

16、ace 上，則此時(shí)在頻譜儀上會(huì)看到 Differential mode 的 Narrowband 噪聲會(huì)增加。GroundV N= I N RGT raceVNINATLT A ntenna但是在實(shí)際電路板上，噪聲的能量是同時(shí)會(huì)分布在Ground 和Trace 上，所以當(dāng) Ground 的面積加大 （ RG減小 ） 或Ground 的噪聲減小 （ IN減小 ） ，不僅 Common mode 的 輻射可降低，同時(shí) Differential mode 也會(huì)隨之降低，因?yàn)樵仍赥race 上噪聲的能量一部份可被Ground 所吸收，而將Trace 的路徑減短或面積減小， 則除了降低Differen

17、tial mode 的噪聲外，因?yàn)檩椛涞奶炀€減小后，相對(duì)地Ground 噪聲藉 Trace 所輻射的量自然也就比較小，因此這二者之間往往存在著相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。對(duì)于這個(gè)觀念必須能夠清楚地了解與認(rèn)識(shí)，這一點(diǎn)在電路板的 Layout 與對(duì)策上是 非常重要的，也就是對(duì)噪聲的防制要能夠有整體的認(rèn)識(shí)，而非單獨(dú)針對(duì)幾個(gè)組件下對(duì) 策。事實(shí)上，從許多的例子可以看到，只是單純?cè)?Crystal 上加一些電阻、電容和電感 （ Bead ） ，通常無(wú)法有效地去抑制噪聲噪聲，下面這個(gè)例子即是實(shí)際在Terminal 產(chǎn)品上針對(duì) Oscillator 對(duì)策的電路圖上述的范例在早期一直被一些對(duì)策人員視為秘籍，許多初學(xué)者看到后

18、總覺(jué)得如獲至 寶，像上例為了抑制噪聲，共使用了三個(gè)電容、四個(gè)電感和一個(gè)電阻，工程可謂浩大， 但是否表示就可以有效抑制噪聲的輻射，答案是否定的。這也是許多 R&D 工程師剛開(kāi)始遇到 EMI 困擾時(shí)，總是信心滿滿認(rèn)為只要在適當(dāng)?shù)牡?方加上濾波對(duì)策即可，結(jié)果花了許多時(shí)間卻一直不能放棄噪聲而感到困擾與挫折。這是 因?yàn)闆](méi)有對(duì)噪聲的特性先做一評(píng)估，又缺少 EMI 整體對(duì)策的觀念，所以有時(shí)低頻噪聲抑 制下來(lái)，結(jié)果高頻卻又無(wú)法符合，或者 120MHz 噪聲減低，但 160MHz 噪聲卻又升高， 如此反反復(fù)覆是非常耗時(shí)的。五 . Harmonic諧波的判斷技巧大部份噪 聲測(cè) 試的 頻譜 圖，皆 可以 看到 如下

19、 之一支 支等 距的 噪聲 ，這一 支支 等 距 的 噪聲亦即為噪聲的諧波，通?？捎善渑袛嘣肼暤膩?lái)源。實(shí)例七 諧波 的分析差異：1. 圖13是使用28MHz的CCD產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)除頻后為 14MHz。2. 圖14是使用14MHz的無(wú)線麥克風(fēng)的產(chǎn)品。說(shuō)明 ：1.這兩張圖是介紹諧波分析的技巧，計(jì)算一支支等距噪聲的頻率差分 析 討論計(jì)算每一支等距噪聲差為 14MHz ，此表示出有一個(gè) 14MHz 的 Clock 信號(hào)所造成，或 者是經(jīng)過(guò)除頻后有 14MHz 的信號(hào)產(chǎn)生。由于在電路板上往往會(huì)使用數(shù)個(gè)不同頻率的 Crystal ，以致有時(shí)無(wú)法判斷是那一個(gè) Crystal 所造成，利用這個(gè)方法有時(shí)可以很快的 確定是那一個(gè) Crystal 造成，然后再做對(duì)策，如此可省除逐一拆除 Crystal 判 斷，或者在 電路板上逐一割線判斷的麻煩。六 . 噪聲點(diǎn)展開(kāi)的判斷技巧 除了使用諧波的觀 念來(lái)判斷噪 聲的來(lái)源外，尚可將噪聲點(diǎn)展 開(kāi)來(lái)判斷，也就是 將 頻譜分析儀的 Span 減小，然后研究造成的機(jī)制。實(shí)例八 噪聲 展開(kāi) 的分析差異：1.圖15是TV Game由30-300MHz的噪聲輻射。2. 圖16是將其中較高的噪聲展開(kāi)。說(shuō)明 ：1.這兩張圖是介紹噪聲展開(kāi)分析的技巧。分 析 討論 由于造成輻射噪聲的成因很多，而產(chǎn)品也可能有多種功能組件會(huì)引起噪聲干擾，通 常頻譜分析儀設(shè)定由 30MHz 測(cè)到 300