EMI的诊断与预防.docx

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EMI的诊断与预防

EMI的诊断及预防

1.前言

     电磁干扰的观念与防制﹐在国内已逐渐受到重视。

虽然目前国内并无严格管制电子产品的电磁干扰（EMI）﹐但由于欧美各国多已实施电磁干扰的要求﹐加上数字产品的普遍使用﹐对电磁干扰的要求已是刻不容缓的事情。

笔者由于啊作的关系﹐经常遇到许多产品已完成成品设计﹐因无法通过EMI测试﹐而使设计工程师花费许多时间和精力投入EMI的修改﹐由于属于事后的补救﹐往往投入许多时间与金钱﹐甚而影响了产品上市的时机

2.正确的诊断

     要解决产品上的EMI问题﹐若能在产品设计之初便加以考虑﹐则可以节省事后再投入许多时间与金钱。

由于目前EMIDesign-in的观念并不是十分普遍﹐而且由于事先的规划并不能保证其成品可以完全符合电磁干扰的测试在﹐所以如何正确的诊断EMI问题﹐对于设计工程师及EMI工程师是非常重要的。

      事实上﹐我们如果把EMI当做一种疾病﹐当然平时的预防保养是很重要的﹐而一旦有疾病则正确的诊断﹐才能得到快速的痊愈﹐没有正确的诊断﹐找不到病症的源头﹐往往事倍功半而拖延费时。

故在EMI的问题上﹐常常看到一个EMI有问题的产品﹐由于未能找到造成EMI问题的关键﹐花了许多时间﹐下了许多对策﹐却始终无法解决﹐其中亦不乏专业的EMI工程师。

以往谈到EMI往往强调对策方法﹐甚而视许多对策秘决或绝招﹐然而没有正确的诊断﹐而在产品上加了一大堆EMI抑制组件﹐其结果往往只会使EMI情况更糟。

      笔者起初接触产品EMI对策修改时﹐会听到资深EMI工程师说把所有EMI对策拿掉﹐就可以通过测试。

初听以为是句玩笑话﹐如今回想这是很宝贵的经验谈。

而后亦听到许多EMI工程师谈到类似的经验。

本文中将举出实际的例子﹐让读者更加了解EMI的对策观念。

      一般提到如何解决EMI问题﹐大多说是casebycase,当然从对策上而言﹐每一个产品的特性及电路板布线（layout）情况不同﹐故无法用几套方法而解决所有EMI的问题﹐但是长久以来﹐我们一直想要把处理EMI问题并做适当的对策﹐另外也提供专业的EMI工程师一种参考方法。

在此我们把电磁干扰与对策的一些心得经验整理﹐希望能对读者有些帮助。

3.EMI初步诊断步骤

      我们提出一套EMI诊断上的参考骤﹐希望用有系统的方式﹐快速的找出EMI的问题。

我们并不准备探讨一些理论计算或公式推演﹐将从实务上说明。

      当一个产品无法通过EMI测试﹐首先就要有一个观念﹐找出无法通过的问题点﹐此时千万不能有主观的念头﹐要在那些地方下对策。

常常有许多有经验的EMI工程师﹐由于修改过许多相关产品﹐对于产品可能造成EMI问题的地方也非常了解﹐而习惯直接就下药方﹐当然一般皆可能非常有效﹐但是偶而也会遇到很难修改下来﹐最后发现问题的关键都是起行认为不可能的地方﹐之所以会种疏失﹐就是由于太主观了。

因此﹐不论产品特性熟不熟﹐我们都要逐一再确认一次﹐甚而多次确认。

这是因为造成EMI的问题往往是错综复杂﹐并非单一点所造成。

故反复的做确认及诊断是非常重要的。

      我们将初步的诊断步骤详列于下﹐并加以说明其关键点﹐这些步骤看来似乎非常平凡简单﹐不像介绍对策方法各种理论秘籍绝招层出不穷﹐变化奥妙。

其实﹐许多资深EMI工程师在其对策处理时﹐大部份的时间都在重复这些步骤与判断。

笔者要再次强调﹐只有真正找到造成EMI问题的关键﹐才是解决EMI的最佳途径﹐若仅凭理论推测或经验判断﹐有时反而会花费更多的时间和精力。

■步骤一

      将桌子转到待测（EUT）最大发射的位置﹐初步诊断可能的原因﹐并关掉EUT电源加以确认。

      （说明）

              由于EMI测试上﹐EUT必须转360度而天线由1m到4m变化﹐其目的是要记录辐射最大的情况。

同样地﹐当我们发现无法通过测试时﹐首先我们先将天线位置移到噪声接收最大高度﹐然后将桌子转到最差角度﹐此时我们知道在EUT面对天线的这一面辐射最强﹐故可以初步推测可能的原因﹐如此处屏蔽不佳或靠近辐射源或有电线电缆经过等。

     另外须注意的是要关掉EUT的电源﹐看噪声是否存在﹐以确定噪声确实是由EUT所产生。

曾见测试Monitor一直无法解决某一点的干扰﹐结果其噪声是由PC所造成而非Monitor的问题﹐亦有在OPENSITE测试Monitor发现某几点无法通过﹐由测试接收仪器的声音判断应是Monitor产生﹐结果关掉电源发现噪声依然存在﹐所以关掉EUT电源的步骤是必须的﹐而且通常容易被忽略。

 ■步骤二

      将连接EUT的周边电缆逐一取下﹐看干扰的噪声是否降低或消失。

 （说明）

      若取下某一电缆而干扰的频率减小或甚而消失﹐则可知此电缆已成为天线将机板内的噪声辐射出来。

事实上﹐仔细分析造成EMI的关键﹐我们可以用一个很简单的模式来表示。

任何EMI的Source必须要有天线的存在﹐才能产生辐射的情形﹐若仅单独存在噪声源而没有天线的条件﹐此辐射量是很小的﹐若将其连接到天线则由于天线效应便把能量辐射到空间。

所以EMI的对策除了针对噪声源（Source）做处理外﹐最重要的查破坏产生辐射的条件----天线。

以往我们最常看到谈EMI对策离不开屏蔽（Shielding）,滤波（Filter）,接地（Grounding）﹐对于接地往往一块电路板多已固定﹐而无法再做处理﹐因为这一部份在电路板布线（Layout）时就须仔细考虑﹐若板子已完成则此时可变动的空间就非常小﹐一般方式仅能找出噪声小的接地处用较粗的地线连接﹐减低共模（Commonmode）噪声。

屏蔽所牵涉的材质与花费亦甚高﹐滤波的方式则是常可见Bead电感等﹐往往用了一大堆亦不甚见效﹐何以如此﹐许多时候是我们没有解决其辐射的天线效应。

一般而言﹐噪声的能量并不会因加一些对策组件便消失﹐也就是能量不减﹐我们所要做的工作是如何避免噪声辐射到空间（辐射测试）或由电源传出（传导测试）。

    在此我们整理了产生辐射常见的几种情形供读者参考。

（1）机器外部连接之电缆成为辐射天线

由于机器本身外部所连接的电缆成为天线效应﹐将噪声辐射到空间﹐此时噪声的大小和电缆的长度有关﹐因电缆的天线效应相对于噪声半波长时共振情形会最大﹐也往往是造成EMI无法通过测试。

在解决这个问题前必须要做一些判断﹐否则很容易疏忽而浪费时间。

（a）噪声是由机器内部电路板或接地所产生

     此情形为将电缆取下﹐或加一Core则噪声减低或消失。

此时必须做的一个步骤是将线靠近机器（不须直接连接）看噪声是否会存在﹐若噪声并没有升高﹐则可确实判定由机器内部产生﹐若将电缆靠近而干扰噪声马上升高﹐由此时请参考（b）的说明。

（b）噪声是由机器内部耦合到电缆线上﹐而使电缆成为辐射天线。

这一点是许多测试工程师容易忽略的。

此情形如（a）中所提到的﹐只要将一条电缆靠近﹐则可从频谱上看到噪声立刻升高﹐此表示噪声已不单纯是由线上所辐射出﹐而是机器本身的噪声能量相当大﹐一旦有天线靠近则立刻会耦合至天线而辐射出来。

在实际测试中﹐我们发现许多通讯产品有这类情形发生﹐此时若单纯用Core或Bead去处理﹐并不能真正的解决问题。

（2）机器内部的引线﹐连接线成为辐射天线

 由于许多产品内部常有一些电线彼此连接工作厅﹐当这些线靠近噪声源很容易成为天线﹐将噪声辐射出去。

针对此点的判断﹐在200MHz以下之噪声﹐我们可以在线上加一Core来判断噪声是否减低﹐而对于200MHz以上之高频噪声﹐我们可以将线的位置做前后左右的移动﹐看噪声是否会增大或减小。

（3）电路板上的布线成为辐射天线

由于走线太长或靠近噪声源而本身被耦合成为发射天线﹐此种情形当外部电缆都取下﹐而仅剩电路板时﹐在频谱仪上可看见噪声依然存在﹐此时可用探棒测量电路板噪声最强的地方﹐找到辐射的问题加以解决。

关于探测的工具及方法﹐将于后详细说明。

 （4）电路板上的组件成为辐射来源

      由于所使用的IC或CPU本身在运作时产生很大的辐射﹐使得EMI测试无法通过﹐卵石种情往往在经过

（1）﹑

（2）﹑（3）的分析后噪声依然存在﹐通常解决的方法不外换一个类似的组件﹐看EMI特性是否会好一些。

另外就是电路板重新布线时﹐将其摆放于影响最小的位置﹐也就是附近没有I/OPort及连接线等经过﹐当然若情况允许﹐将整个组件用金属外壳包覆（Shielding）也是一种快速有效的方法。

     由以上的分析介绍我们可以了解﹐造成电磁干扰辐射最关键的地方就是电线的问题﹐当有了适当的天线条件存在很容易就产生干扰﹐另外电源线往往亦是造成天线效应的主因﹐这是在许EMI对策中最容易疏忽的。

  ■步骤三

     电源线无法移去﹐可在其上夹Core或水平垂直摆动﹐看噪声是否有减小或变化。

若产品有电池设备则可取下电源线判断﹐如NotebookPC等。

（说明）

     如前所述电源线往往是会成为辐射天线﹐尤其是DesktopPC类产品﹐往往300MHz以上的噪声会由空间耦合到电源线上﹐所以判断产品的电源线是否受到感染是必须的步骤。

由于噪声频带的影响﹐对200MHz以下可用加Core的方式（可一次多加数个）判断﹐对于200MHz以上的噪声﹐由于此时Core的作用不大﹐可将电源线水平摆放和垂直摆放﹐看干扰噪声是否有差别﹐若水平和垂直有很明显的差别﹐则可一边摆动电源线一边看频谱仪（Spectrum）上噪声之大小有否变化﹐如此便可知道电源线有否干扰。

      至于若发现电源线会产生辐射时如何解决﹐一般皆不好处理﹐通常先想办法使机器内的噪声减小﹐以避免电源线的二次辐射﹐而使用Shielded线一般对辐射的影响并不大﹐故换一条不同长度的电源线﹐有时也会有很好的效果。

     由这一点我们可知道﹐除了要使可册产生辐射噪声的组件远离I/OPort外﹐其也须尽量远离电源线及Switchingpowersupply的板子﹐以免耦合到电源线上使得辐射及传导皆无法通过测试。

■步骤四

       检查电缆接头端的接地螺丝是否旋紧及外端接地是否良好。

（说明）

       依前三项方式大略找了一下问题后﹐我们必须再做一些检查﹐因为透过这些检查﹐也许不须做任何修改﹐便可通过EMI测试。

例如检查电缆端的螺丝是否锁紧﹐有时将松掉的螺丝上紧﹐可加强电缆线的屏蔽效果。

另外可检查看看机器外接的Connector的接地是否良好﹐若外壳为金属而有喷漆﹐则可考虑将Connector处的喷漆刮掉﹐使其接地效果较佳。

另外若使用Shielded的电缆线﹐必须检查接头端处外覆的金属纲是否和其铁盖密合﹐许多不佳的屏蔽线（RS232）多因线接头的外覆屏蔽金属纲未册和连接端的地密合﹐以致无法充份达到屏蔽的效果。

       各种接头如Keyboard及Powersupply常常由于接头的插头与机器上的插座间的密合度不好﹐影响了干扰噪声的辐射。

检查的方式可将接头拔掉看噪声是否减小﹐减小表示两种册可﹐一为线上本身辐射干扰﹐另一为接头间接触不好﹐此时插上接头﹐用手销微将接头端左右摇动﹐看噪声是否会减小或消失﹐若会减小可将Keyboard或Powersupply的连接头﹐用铜箔胶带贴一圈﹐以增加其和机器接头的密合度﹐这一点也是实测上很容易被疏忽﹐而会误判机器的EMI为何每次测时好时坏﹐或花许多时间在其它的对策上面.

4.细部的诊断

   在分绍相关对策之前﹐我们先详细说明如何精确的找到EMI的发射源﹐前面初步的诊断也许并不能找到真正的原因﹐或者产生一些误判或一直无法找到问题﹐则我们必须使用一些探测工具连接到频谱分析仪（Sepctrumanalyzer）上﹐详细而全面的发现问题。

一般常用的工具有两种﹐一种为磁场型的探棒﹐另一种为电场型的探棒﹐这两种工具可以在某些仪器厂商购得﹐须注意的是要选择适当的响应频率。

在此我们介绍一种简便的方式﹐自行制作测量探棒﹐方便作细部的诊断。

■磁场探棒的制作

   可使用漆包线绕Core多圈﹐然后用一塑料管连到BNC的接头。

在塑料管内的漆包线可用编织线或铜箔胶带整个包覆﹐以避免噪声直接耦合到线上﹐而影响判断的位置。

■电场探棒的制作

   使用一Shielded线﹐一端焊上小金属探棒﹐另一端连接103（0.01uF）电容上﹐再接到BNC接头﹐如此便完成电场型的探棒制作。

（1）磁场探棒探测整个机构及电路的噪声

   将磁场探棒接到Spectrumanalyzer,一般需加Amplifier效果较佳﹐把待测物接上电源﹐用探棒在电路板上逐一探测﹐配合由频谱仪上噪声的显示﹐找出电路板或机器内噪声最差的地方

由最差的地方﹐配合我们前面所讨论过造成EMI问题的原因﹐再分析一下电路组件找出原因。

（2）电场探棒探测各个线路及组件的噪声

   一电场探棒有一小的探针﹐虽不是很灵敏﹐但可以有效好的分辨率。

在用磁场探棒找出主要的噪声位置﹐有时还不能完全判断或找出问题﹐此时便要使用电场探棒在组件的接脚或电路板上的走线逐一测量﹐如此可以很确定的找到问题。

   细部的诊断是必须熟悉的﹐如此可以节省来回在OpenSite或Anechoic-chamber确认对策是否有效的时间。

当加上部份对策组件或改变一些线路时﹐可直接用探棒测量比较﹐若与修改前并没有什幺差别﹐则不需要再拿到测试场地确认。

   由于频谱分析仪的价格稍昂贵﹐若没有此项设备﹐则常常无法在EMI对策上做许多判断。

故在此我们介绍如何利用示波器看线路上的对策效果﹐以方便设计工程师的修改。

   将示波器的探棒连到机器内的振荡线路去测量﹐由示波器上看其方波的形状。

通常若在方波前后缘的波形变化很大﹐则相对于频谱分析仪上的噪声也会很大﹐故将其前缘尽量让其圆滑缓和﹐则相对于频谱分析仪上的噪声便会降低。

5.对策实例说明

   我们会分绍一些电磁干扰的诊断方法﹐将依上述所说明的做一实例分析﹐供读者能更加明嘹。

在此我们要再次强调电磁干扰诊断上的重要﹐而不要一直花时间在对策评估上﹐本文将依之前所介绍的诊断步骤﹐逐一介绍相关的对策方法。

（1）.外部构造的屏蔽处理

   此为一多重的Modem卡所组合的机组﹐其正面对天线时在高频500~800MHz﹐皆有甚高之噪声无法通过测试。

此时可先用一大片铝箔﹐遮蔽其正面发现噪声会整个降低。

如此可知﹐加强其正面的屏蔽﹐将会达到抑制的效果。

采用的方法﹐可配合机构人员﹐做一些机构上的修改或变更﹐由于此种机器为数十块相同的Modem卡所组合﹐其噪声往往会随所加的卡而增加﹐亦即其所插在机器上的卡愈多﹐其所辐射出来的能量亦愈大﹐故若单纯的在电路板上对高频噪声处理﹐较费时且是易。

在此并介绍一个方法如何判断屏蔽的好坏﹐可直接用的接触机器外壳上﹐看噪声在频谱上是否会减低﹐在实际诊断上﹐这是一个相当快速而便利的方法。

   一般若外壳使用金属的产品﹐在对策上不要忘了﹐看可否先从其外壳的屏蔽效果上处理﹐通常一个良好屏蔽的金属壳往往可以使噪声降低15~20dB。

所以在您依步骤一做确认时﹐同时也可先行评估待测物金属外壳的屏蔽效果﹐对于一个有经验的EMI工程师﹐往往不须将产品实际测试﹐即大概知道外壳须处理的地方﹐在此笔者说明一般判断的原则﹐即是在接合及接缝处要达到¬密不透风﹑滴水不漏¬.若不符合原则的现象﹐往往可能造成屏蔽不佳。

常用的对策方法为在屏蔽不佳处﹐将绝缘的漆刮掉﹐贴上金属箔片﹐用金属弹片补强﹐用螺丝锁紧等。

（2）.机器外部的电缆线处理

   此为一DesktopPC产品﹐由于电源线的关系﹐使机壳内的噪声﹐耦合到其内的电源线﹐而使在外的电源线成为一支辐射天线﹐在160MHz附近﹐其无法通过测试。

对策的方法为找一条较短的电源线换上﹐则可发现不单低频部分降低许多﹐连原先的高频部份亦减低﹐而快速的符合测试要求。

由此例可以看出线的长短﹐会影响辐射情形的好坏﹐当改变辐射源的条件时﹐噪声的情况亦随之改变。

在其它类产品亦往往有此现象﹐而最容易被忽略﹐例好收音机之本地振荡的辐射﹐在机壳内往往亦会耦合到电源上﹐而辐射到空间上﹐因此必须注意在机壳内的整个布线的位置﹐尽量使线远离振荡源﹐以免加大机壳线上的辐射。

在电源线传导的测试上﹐有兴趣的读者亦不妨一试﹐对于不同长度的电源线﹐其噪声的大小亦会有差别。

   当然许多人或许有些疑问﹐上述方法是否真正解决了产品上的EMI问题﹐为何不直接从source上减小辐射﹐稍后我们将介绍一些对策方法﹐以供参考。

   但是往往这些对策由于电路板的限制﹐而无法充分符合要求﹐更甚而如前所述﹐加上一些电阻﹐电容或bead﹑EMI的情形反而更差﹐或机器的动作不正常﹐或不工作等等。

如果能有简单的方法而快速的解决﹐是不需要一定往source上去钻﹐在此笔者要强调的是必须全面性的去看待一个EMI问题﹐对策方式是先从产品周边对策﹐而非一开始就先从电路板上着手。

事实上﹐要处理产品的EMI问题﹐事后的对策﹐不论是由电路板上或外观上补救﹐都已不是根本的办法﹐只有在设计之初﹐便把EMI的问题考虑进去﹐才能达到整体的效果﹐所以﹐在此笔者要再次强调﹐千万不要一下子就把问题放在振荡器上﹐虽然我们知道噪声必定是由clock所产生﹐然而clock的功能类似人的心脏﹐通常是此产品的工作中心﹐在clock上做一些EMI之抑制﹐往往其工作性能会受到影响﹐尤其当clock使用的频率愈高愈易受影响。

（3）.机器内部的电缆线处理

      此为传真机产品﹐在测试对策时发现﹐当机器上下盖分离时﹐噪声会明显降低﹐而当机器上下合成一体﹐噪声立即会升高。

仔细研究发现﹐由于传真机内部有许多连接的电线﹐当上下盖打开﹐此时这些线离电路板上的振荡源较远﹐而当上下盖闭合时﹐因内部空间变小﹐致使这些连接线靠近振荡源而将噪声辐射到空间﹐这是一个典型的机器内部连接辐射的例子。

往往在其它产品上也会发生﹐例如DesktopPC等。

处理的原则可从两方面着手﹐一是将线重新整理﹐避开振荡线路的部位﹐这是从改变位置﹐减少耦合的观念处理﹐另一方法即是在线上加一对策组件铁粉心（Core）来抑制噪声的辐射干扰。

（4）电路板上的布线处理

   此为一CD放音机的产品﹐由于其电路板上Crystal到IC的走线太长﹐以致这条线被当成天线﹐将噪声辐射出来﹐最后解决的方法为将电路板上的线切断﹐另外用一Shielded的线接上﹐如此则噪声干扰的情况明显改善。

一般在电路板上Layout时﹐通常对一些clock的线﹐会限制其长度﹐尽量不要太长﹐像上例就因为其clock的走线太长而造成﹐另外对于含有高频信号的走线﹐在Layout时亦可考虑用地线将其包住﹐对噪声的防制亦会有一定的效果。

电路板上线路造成EMI干扰﹐一般不容易诊断出来﹐而要在Layout时﹐完全考虑进去也不容易﹐但是在对策诊断也是一项非常重要的影响因素。

（5）.机器内的振荡频率

   本节中我们将针对电路板上振荡的部份做一说明﹐亦即当前述的各项抑制方法效果不理想或甚而无故﹐那此时我们便要考虑是否从电路上下手来解决问题。

一个电路板上有时往往用上许多个振荡器﹐加上IC内部的除频动作﹐故首先必须要确定问题源是由何处所引起﹐如此对策才不易浪费时间﹐诊断的方法如前所介绍的﹐先用磁场型探棒测电路板﹐找出辐射问题的关键﹐然后可用电场型探棒﹐逐一找寻干扰的现象。

一般皆针对有问题的线﹐作下列数种处理﹐加电阻﹑加电容﹑加Bead﹑加Filter﹐事实上﹐对于电路板上EMI的抑制﹐离不开这四种方法﹐至于要怎幺加﹐也许对一个刚接触EMI问题的工程师﹐会感到茫然﹐不过经验是靠时间所累积﹐当您不断去尝试便逐渐能有一些心得和收获﹐常有人说EMI的修改是一种艺朮﹐为什幺会如此说呢﹖有经验的EMI工程师可能都曾遇到类似的问题﹐同样一颗电容加在一电路板上﹐会因为所放的位置不同﹐而在EMI上会有不同的情形﹐虽然从电路图上而言﹐是没有什幺差别﹐这大多是因为高频的特性所造成﹐例如当使用一bypass电容﹐其电容上接脚的长短﹐对其bypass的效果亦会有很大的影响。

笔者在此再次说明一般电路板上所用的对策方法﹐目前是以电阻﹑电容﹑Bead﹑Filter这四种组件为主﹐至于该选择那一种组件﹐下在哪一个置﹐是经过不断的试验﹐也就是trialanderror﹐这也是EMI对策修改时﹐要花掉许多的时间﹐如何利用这四种组件的特性﹐减低或抑制EMI﹐使产品能符合测试标准﹐是今大多数EMI修改工程师绞尽脑汁的。

   为使一般读者也能了解﹐下列的简图是一个参考﹐亦即一般电阻﹑电容﹑Bead﹑Filter放置的方式﹐这只是一理论上的参考﹐在实际电路板上﹐可能要花些时间或靠些运气找到最适当﹑最有效的摆放位置。

6.结论

   电磁干扰的诊断与对策﹐经过国内EMI工程师不断的努力﹐由早期的独自摸索﹐演变至今有一些经验心得﹐大多数投入EMI的工程师﹐都非常辛苦﹐尤其要常常面临无法解决的困境﹐绞尽脑汁﹐耗费心力﹐若没有过人的恒心毅力﹐往往早已改行。

然而透过多数人的讨庥相信很多问题﹐能够得到很好的解答﹐本文中比较着重于非电路板上的EMI对策探讨﹐主要是希望读者对EMI的诊断与对策有一全面性的思考。

最后﹐对于有心投入EMI的工程师﹐笔者愿给予三点建议﹕细心﹑耐心﹑恒心﹑相信能在EMI的领域内﹐会有很好的收获与心得。