1、辐射骚扰整改方法辐射骚扰整改方法辐射骚扰主要是指能量以 电磁波形式由源 发射到空间或能量以电磁波形式在空 间传播的现象。辐射骚扰是电磁兼容的重要内容,也是 测试最不容易通过且最难整 改的项目,谈到电磁兼容测试不合格令人首先想到的就是 辐射骚扰超标ReF); 辐射骚扰超标的产品可能引起周 围装置、设备 或系统性能降低或者 对有生命或无生 命物质产生损害,一定要整改合格、符合有关法规标 准要求,产品才能顺利走向市 场 。部分企 业重视 EMC ,开发出来的产品能够一次通过测试;但多见的情况是样品经过艰辛整改才勉强合 格;有相当多IT数码产品本来就容易发生辐射骚扰超标ReF),要依靠EMC 设计才能
2、有效解决 问题的,可企业在产品开发阶段根本没有考 虑 EMC 设计,也没有进行相应 EMC 测试以验证设计方案就投入量 产,致使大量产品最终检验不合格而需要整改。(二)整改要求和整改方法概述 如果产品辐射骚扰容易超标、整改不可避免,就要有负责 整改的工程 师;如整改 工程师掌握无线电基础知识,了解辐射骚扰概念,能看懂电路和辐射骚扰测试图 ,兼 有电子设计经验或 EMC 行业工作经验,就容易形成一套解决 问题的办法。辐射骚扰整改的一般要求:对于已经材料齐套的批次产品、半成品或完成品,电 路板不能改排版,成本要低,要能批量改 进或生产;整改措施对下批次或类似产品设 计具有指导意义。实施整改,通常要
3、准备样品两台、说 明书、电 路图、结构图各一份;最好有一名熟练 工人辅助操作。 ReF整改方法:首先,初步了解产品特点,尽量多地了解当前产品辐射骚扰超标具体情况;其次,针对整改要求,了解产品电路原理,根据客户提供的信息判断是何种 类型 的超标(工作所需要的振荡信号谐波超标还是其它 问题)以及可能的骚扰源;再次, 结合电路分析,通过产品内部 检查和近场探头探查,具体确定辐射骚扰源和主要的 辐射发射途径;为确保入手正确,安排必要的排 查测试作问题症结的进一步确 认;第 四步,综合分析结果,采取措施,进行整改;如果超标严重6dB 以上),必须从源 头开始治理(超标 12dB 以上时往往还要同时采取其
4、他办法);如果超标不严重(不超过 6dB ),可以直接从较易处理的主要问题点(可能是骚扰源也可能是 传播途径)开始着手; 第五步,验证整改效果;第六步,效果不理想则返回检查,效果好则可以考 虑方案简 化和综合验证,以找出最方便、经济 的达 标办法;第七步,做个笔记,小结经验。(三)整改方法案例讲解这里详细介绍一款医疗产品 ReF 整改的每一步 骤,基于保密和篇幅原因,但凡可以不提的信息全部略去。整改第一步,初步了解产品、了解辐 射骚扰超标具体情况案例产品为医疗电子设备,塑料外壳,有两对输出长线连 接作为电极的金属棒, 电极用于连接人体不同部位,工作频率10Hz1MHz )可单一设定或程控交替
5、变换。客户称该产品八月份在美国做 FDA 测试时 Re F,三个多月来一直努力改进,始终未获通过。客户提供了此前每次整改前后的 测试 情况,简述如下:1第一次,水平和垂直测试曲线August 17 First Scan);2第二次,线缆 加铁氧体材料后改 进不大;3第三次用近 场探头查找骚扰源;4第四次把 样机内外的 线缆去除,没有负载状态时,测试曲线除了基底降低外 几乎无变化;第五次箱体、线缆 屏蔽后测试,结果改进不大; 第六次 24MHz 和 6MHz 晶体振 荡器接 0.33Pf 到地,电极和电源线上增加磁珠串接,测试结果没有明显改进。 第七次采取 样品内部屏蔽、电 极和 电源线上增加磁
6、珠串接,晶振接地等措施 ,测试结 果没有明显改进。第八次测试 Nov 09,2005 Re with pads removed and 160 ohm Resistorsconnectecj),没有明显改进,RadiatedEmissions30 MHz - 1000MHz水平极化测试数据如下:EN55011 Grp1 ClassB (Pk-HEN55011 Grp 1 ClassB (Pk- Vertical垂直极化测试数据略整改第二步,了解 产品电路原理,判断超标类型和骚扰源 认真阅读说明 书和电路图,可以把电路图示简化为如图 1: 从客户所提供的以上信息,可以得到如下基本判断: 1、产品
7、辐射骚扰严重超标,最大超标 28dB(uV/m以上;辐射骚扰超标由两部分叠加,其一为24 MHz在70 MHz700MHz的谐波,其二为120MHz300MHz 间的辐射群波骚扰;为此需要对应两部分问题同时考虑整改措施。2、 24MHz 在 70MHz700MHz 的谐波超标非常严重(几乎高出基底群波 30dB),必须从源 头开始治理。3、从客户提供的第四次(把样机内外的 线缆尽量多去除,没有输出、没有负载 状态的) 测试曲线结果看,线缆、输出线和负载是群波辐射骚扰的主要发射载体。4、从客户提供的每次整改后 测试结果看,如下整改措施效果不佳:箱体屏蔽、样 品内部屏蔽、线缆屏蔽,24Mhz和6M
8、hz晶体振荡器接0.33Pf到地或晶振外壳接地, 样品改接地点等; 恰好从电路、结 构看,这些措施本来就不是好 办法。整改第三步,结合电路分析,安排必要的排 查验证测试 ,确认问题症结所在结合第二步分析,可以非常清楚看出,该案例Re涉及关键地方为:24MHz晶振电路、供电回路、地回路, 24MHz 晶振信号 传输线 , 5V/72VDC/DC 模块, DC/DC 模块输入输出电路,外接电缆端口。从电路图看,主要问题有:24MHz晶振与振荡管之间未接入磁珠以吸收晶振振 荡谐波,24MHz晶振电路由5V供电(一般3V供电的多,5V供电时24MHz振荡幅度很可能会过大,能否降低一些?),24MHz晶
9、振信号传输线和供电线未接入磁珠或安排任何 EMI 抑制虑波电路,DC/DC 模块输入端没有任何 EMI抑制电路或器件安排, 输出电路正负极之间只连接一个 104电容。一句话 ,完全缺乏 EMC考虑。估计电路排版也非常糟糕(该案例没有电路排版图、内部结构图),Re 超差才会这么严重。拆开样品查看结构和电路排版,果不出所料,设计工程师没有 E MC经验,不知道高频电流环路面积S越大,EMI 辐射会越严重,电路排版随心所欲,毫无顾忌:整体电路分布安排欠佳,致使 24MHz晶振信号传输线和供电线排得很长,旁边也没有安排相伴地回 线;输出端口与实际 电路输出部位分别在两头且没有任何处置,正负极输出电缆分
10、别连接人体不同部位 ,几乎形成开放性天 线;大多数地线形成孤 岛和尖锐边角。局部电 路排版(反面)如照 片 1 所示:改进 EMC问题,如同诊治疾病,一定要先查清病灶。以上根据电 路和排版,作了一些初步分析 ,为了验证客户提供信息的真 实可参考,把骚扰源头摸透彻,以便下一步实施整改时 有的放矢,需安排必要的排 查测试(一般产品 120MHz 以上,水平测试较垂直测试骚扰超标会较严重;本案例主要排查 120MHz 以上 骚扰时,只安排水平测试)。排查测试一,样品未整改,正常状态下水平测试结果曲线如图 Th1;排查测试二,样品未整改,只有电源线、去除样机内外的输出线缆、没有负载 状 态,测试结果曲
11、线如图 Th2;以上测试非常重要。说 明客户信息真实,可确认前述分析 结果:1产品辐射骚扰超标非常严重,以至于只保留需要的电源线、去除样机内外的 输出线缆状态下,测试结果基本不受影响;辐射骚扰超标由两部分叠加,其一为 24 MHz 在 70 MHz 700 MHz 的谐波,其二为 120 MHz 300MHz 间的基底群波辐射骚扰;224 MHz在70 MHz700 MHz的谐波超标非常严重(几乎高出群波30dB ),必须从源头开始治理。借助高频示波器或频谱分析仪加上近场探头寻找主要骚扰源,初步确认 24MHz 晶振电路为70 MHz700 MHz的24 MHz谐波骚扰源头,5V/72VDC/
12、DC模块为基底群波辐射骚扰源头。24MHz谐波理论上也是6MHz晶振谐波, 6MHz 晶振电路对 70MHz700MHz范围内的谐波有多大程度的贡献?放大电路对于基底群波辐射骚扰多大程度 的贡献?为了进一步确认,考虑安排如下几 组排查测试:排查测试三:正常测试状态下,让24MHz晶体开路,没有24MHz振荡信号时水平/垂直测试,测试结果曲线如图Thv3:(上面一条&水平测试结果)排查测试四,正常测试状态下,断开放大电路72V供电时水平测试,测试结果曲线与Th2相似,说明整个有用低频信号放大电路对辐射 骚扰贡献很小,可以不予考虑。排查测试五,正常测试状态下,断开5V/72V DC/DC模块的5V
13、输入,让5V/72V DC/DC 模块不工作(同时会影响低 频信号放大电路也停止工作) ,天线水平极化,测 试结果曲线如图Th5,可以看出,由于没有了原来凸起来基底群波,整个辐射骚扰测 试曲线低了很多:为进一步确认5V/72V DC/DC模块的缺陷,把5V/72VDC/DC 模块取出,进行单独空载测试,即只给输入,输出端没有任何 连接,测试结果 曲线如图:水平Th6、垂直Tv7基于DC/DC空载状态下,骚扰严重超出限值的情况,建议客户更换DC/DC模块 。如能更换 ,将会大大简化整改措施,否则,这种 DC/DC 模块在电路中输入和输出都 未有抑制安排的情况下,免不了要加装或加 焊常规共模和差模
14、抑制器件,内部 处理 不能完全消减骚扰至合格水平时外部电缆就免不了要加套磁 环,即外部要采用带磁 环电缆 ,会引起费用增加和装配不 规范等新的 问题。通过以上几步,问题非常明晰:24MHz晶振电路为70MHz700 MHz的24MHz 谐波骚扰源头, 5V/72V DC/DC 模块为基底群波辐射骚扰源头。整改第四、第五步,综 合分析 结果,整改、验证第一整改目标:把24 MHz在70 MHz700 MHz的谐波抑制到不高出群波3dB(最大不高出群波5dB );采取措施降低24MHz晶振信号幅度、消减24MHz 谐波信号。具体整改措施:1)保证不影响样品正常工作,减小晶振幅度,实际IC1正常工作
15、 电压2 6伏特,原5伏特供电调整为2.7伏特; (2)利用合适的高频吸收器件,吸收晶 振谐波,24 MHz晶振回路与IC脚连接间串接102磁珠100MHz时阻抗 1000欧姆。磁珠选择 原则为在希望起作用的 频率范围内,如案例中 70MHz700MHz,阻抗大,等效电感小,电流限值足够,尺寸大小适合安装,选择原则下同);3)( 在电源线、 24MHz时钟信号线两端串接磁珠,减小晶振谐波的耦合、沿长线传 播引起强辐射,特 别避免晶振 谐波不必要地从一个芯片 传送至另一芯片被二次放大;(4)地线完整性检 查及改进,使电源线、信号线环 路面积最小(必要时可增加电源线、信号线 的伴随地 线),消灭地
16、线孤岛。经过 以上步骤,用频谱仪在同方位、同角度、同距离情况下比较 未经改进和已经改进的两个样品的 24MHz 谐波信号大小,发现大有改 进。通过测试 ,证明效果很好。第二整改目 标:把群波峰顶抑制到限值6dB以下(最好在限值10dB以下);降低DC/DC模块导致的基底抬高、隆起。整改具体措施:(1) 分别在 5V/72V DC/DC 模块输入和输出端插入典型 电源 EMI 抑制电路,如图 2;(2) 由于未更换电源模 块,同时客户没有现 成合适的抑制器件,加之安装不便利 ,DC/DC 模块输入和输出端拟插入的典型抑制 电路只能“偷工减料 ”实施一半(如照 片 2 三个瓷片 电容和两个差模 线
17、圈)。由于内部处理不充分,外部电源线、两对输出电缆都要加套磁 环或采用带磁环 电缆。经过 以上步骤,用频谱仪在同方位、同角度、同距离情况下比较 未经改进和已 经改进的两个 样品,发现改进情况很好。安排效果验证测试 八,正常状态下,水平、 垂直 测试图 Th8/Tv8 。证明第一、二步整改措施恰当有效。第六步,方案简化和综合验证已整改的样品 Re合格,功能检验 正常,性能检验时发现输 出波形有一点点毛刺,好像最后工作 输出波 形有所变化,经进一步检查、对 照未改进前样品波形,发现输出波形比以前有很大改 进 (原来毛刺太多,波形密集时连 在一起看上去反而以 为 正常),去除了叠加在有用 波形上的大
18、部分无用信号,剩下很少的微弱不 稳定毛刺,为了更好消除剩余 杂 波,放 大电路光耦输入端串接的小电阻变更为差不多等阻值的 102磁珠,结果输出波形更 加漂亮。一般说 来,正确的 EMC 整改,只会提高 产品性能。考虑以上方案中,24MHz晶振谐波和 DC/DC 模 块导致的基底群波抑制效果很好,几乎都有 10dB 以上裕量,可以适当考虑简化整改方案。试 着取消电源线非晶振端的串接磁珠,取消 地线完整性措施,(如果更换DC/DC模块可以取消更多第二步措施。)按照简化方案 再改多两台 样品,安排最后验证测试,完全达到整改效果,仍有 5dB以上裕量。安排效果验证测试 九,正常测试状态下,水平极化测试
19、图Th9较之Th8结 果稍差,垂直极化测试图与Tv8几乎完全相同。第七步,做个笔记,小结经验整改工作完成后,一方面,要认真落实整改方案、跟踪检查 ,另一方面,建议把 整改、测试 相关资料整理存档,做个小结笔记特别考虑如果重新开 发一样的产品 时,应该在设计中注意什么。比如这 次整改完成,对下批次或 类似产品设计具有如下 指导意义:重新选购 合格的 DC/DC 模块;电路板重新排版:在原有线路板层数和器件不变时,尽量减小所有的高速信 号及时钟信号线构成的环路面积,使信号线紧邻地回路;印制板分层原理与布 线原 理一样,电源平面与其对应的地平面相邻,相邻层的高速信号不跨区;所有的信号层 特别是高速信
20、号、时钟 信号与地平面相 邻,尽量避免两信号层相邻;(3)1/0排线采用屏蔽性能好的线缆,屏蔽层可作为回线;内导线采用多股双绞线 ,使空间场互抵。(四)本文小结整改成果不限于效果本身,最重要的是掌握整改方法,并从中意 识到产品 EMC 重在设计、整改只是补救措施。辐 射骚扰超标是电磁兼容常见现象,也是最难对付的 项目;如整改思路明确,有步骤做实七步工作,关键是准确无 误找到问题症结这是 整改核心,就可以取得 较好效果;但治病不如防病,趁早考 虑和解决 EMC 问题是最佳 选择。EMI 快速诊 断与对策 电磁辐射骚扰的远场测量是指在半 电波暗室或者 EMC 开阔场进行的测量,测量天线与被测物的距
21、离一般为 3米或 3米以上,给出的结果是 一张频谱图,即各个频率点的电磁辐射骚扰强度。标准GB13837-1997 CISPR13)和GB43401995 CISPR14)规定,应分别测试 EUT 外接连线,女吨源线、AV线、耳机线、话 筒线等线缆的骚扰功率。传导骚扰 是测试 EUT 运行过程中端口骚扰电压 ,包括电源端口、射频端口、天线端口、电信端口等。如果 被测设备有一个或者几个 频率点的电磁骚扰超过了标准的限值,被测设备就不符合 EMC 标准要求。如果设备没有通 过 EMC 测试,我们从测量结果中,只能知道哪些频率点“超标”了,而这些频率的电磁骚扰是 从哪里出来的,往往是工程师门最不容易
22、发现、最难解决的问题。EMI 快速诊断方法就是 针对 EUT 的原理,先推断引起 EMI 的原因和内部 骚扰源可能是什么,再根据 EMI 产生的途径和机理,透 过测试图 ,分析超差原因;必要时, 辅以高频示波器或频谱仪,从频域到时域,寻找产生 EMI 问题的对应电路和器件;从而制定EMI對策。在这里提供一些案例,通 过解读测试图 ,把看不见、摸不着的 EMI 变得直观易懂,供大家参考。 关于电磁辐射骚扰场强或功率测试分析案例:辐射骚扰图1如右:样品为CRT显示器频率点35.4 MHz附近, 3045MHz 之间大部分隆起超出限 值, 通常只有两个原因 - 开关电源电路或地线处置不良引起。对策-
23、 显示器使用 带磁环类型的信号 电缆和电源电缆, 电源输入端串接差模 线圈,电 源地线剪短就近接地。辐射骚扰图 2 如右:样品为微型计算机(改进后)频率点 100 MHz 、366.24MHz 等刚好符合GB9254-1998B级要求。这是测试超差6dB 后,机箱经过金属胶带密封处理后获得的测试结果。象这种曲线底部未明显抬高,301000MHz频段有频率点超差现象,应该选择屏蔽较 好的电缆和机箱。使用带滤 波器 类型或带磁环的信号电缆 和电源电缆, 电源输入端串接差模 线圈,会有益处。辐射骚扰图 3如右:样品为微型计算机频率点 35MHz、70MHz、170.76MHz等附近超差,既有频率低端
24、隆起超出限 值现象,由地线问题;也有301000MHz 频段频率点超差现象,有屏蔽问题。应该综合处理,选择屏蔽较好的电缆和机箱,使 用带滤波器类型或带磁环类型的信号 电缆和电源电缆,电源输入端串接差模 线圈。值得一体的是,对于如果带电机的 EUT ,图 3 如果频谱图 和时域波形 图都带有较多毛刺,须怀疑电机骚扰。骚扰功率图5如右:样品为VCD播放机/AV电缆频率30300MHz之间大部分频段隆起贴近或超出限值, 曲线底部明显抬高,通常只有一个原因 -地线处置不良引起。此外 ,频率点 135MHz 测试超差较大,图中可见每隔27MHz就有一个高点,该VCD播放机解码芯片正好使用27MHz晶振,
25、135MHz是27MHz的 5 倍频。如果地线 改善后 , 该频点仍然超差 , 应减小晶振 谐波辐射。实际情况: AV电缆 梅花接口在金属后壳安装 处 ,未直接就近与金属后壳相 连接地 ,对策:换用能够在安装 处直接与金属后壳接地 处理的 AV 梅花接口;频率点135MHz平均值仍然超差5.6dB,在如下图:对应箭头所指位置使用磁珠 ,即晶振与解 码芯片相连脚上,加串100MHZ/150QQ磁珠,测试结果通过。骚扰功率图6如右:开关电源/输入电源线3080MHz之间大部分隆起超出限值,30300MHz 之间全是开关电源典型频谱图,表明开关电源电路或地线处置不良。经检查 开关电源输入电源线地线只
26、接了两个 Y 电容,并未与开关电源其它地相连;虽使用了共模 线圈,但开关电源输入端电路排版 不对称,L布线较直,N布线弯曲得厉害,查电源端骚扰电压测试L端如图7, N端如图&由图可见,L端与N端电源端骚扰电压测试结 果不对称。图6对策:开关电源输入电源线地线与初级其它地相连;电源输入端N端布线串接差模线圈,串接差模线圈前端电源输入L端与N端之间加接差模电容,差模线圈后L端与N 端分别加一个到地共模电容。处理后测试合格。使用带 磁环电源电缆测试效果更佳。 骚扰功率重新测试图如下图9,图 10: DVD 播放机在 30300MHz之间有部分频段隆起贴近限值,应有接地处置方式可以改善。图11 :VC
27、D 播放机骚扰功率测试曲线底部无明显抬高,表明地线处置良好。图 11图10、图 11 是明显的晶振谐波频谱,从骚扰功率图中看出较大的超差频率点为135MHz、 1 08MHz、50.8MHz、1 89MHz ,以及谐波频谱间隔,结合样机时钟晶振频率为 16.9344MHz、27MHz,显然,要想通过测试,必须减小晶振谐波辐射。整改时,减小 VCD/DVD 播放机晶振 谐波辐射的主要措施有 : 检查解码芯片供电电压是否合适、 有无过高,过高则调低;解码芯片供电连脚上是否有小容量 电容就近到地,无则加一 个,另加一个电抗较小、阻抗较大的磁珠,磁珠的阻抗在 50MHz 以上越大越好;通过高頻示波器
28、观察晶振波形是否接近正弦波,否 则调整晶振下地 电容;晶振与解码芯片相连脚上,加串电抗 较小、阻抗 较大的磁珠 ,电抗增加不多情况下,磁珠的阻抗在 50 MHz 以上越大越好;检查解码芯片供 电回 路、解码芯片晶振 时钟回路以及高速信号回路面 积是否过大,晶振旁边布线回路面 积是否过大, 如果是,则须设法解决。如果以上措施本来已落实 部分,其余措施难以实施,这 只能 在输出线上 串磁珠,套磁环。 这些措施可 说都是权宜之计,生产工艺上会有困 难, 唯一办法只有作 设计改动。如果工程师设计时 能考虑到以上问题,就不会有这些麻烦,就可以省时省力通过测 试。本案例足以说明,EMC工作的重点、重中之重
29、就是 EMC设计。EMC 设计就是在产品的设计过 程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题, 从设计 的一开始就采取各种措施, 尽量采用 电磁兼 容设计规范,目标是使得样机完成后 满足电磁兼容性要求。稍后介绍 EMC 设计内容。处理注入电源骚扰电压测试图要决:先看L/N 两端是否对称,如对称,直接采用共摸电流抑制;如不对称, 先给较大骚扰的一端先串接差模 线圈,加接共模电容,再采用共摸电流抑制;根据产 品电路原理 和频谱图形,判明超差原因,是开关电源引起,还是晶振时钟(或其谐波)耦合引起, 抑或是 视 频等高 频电 路泄漏引起,接地不良引起?再 对症下 药. 关于 FM 收音天线端骚扰电压和辐射
30、骚扰超出限值, 只要考虑改善天线端和本振电路间的隔离以 及减小本振信号 强度即可;其它天线端和射频端骚扰电压是否超出限 值,只取决于高 频头、射频 调制器的性能,与别的部分无关。只要选购经过 CCC或CQC 认证的产品即可。非间断性工作的 样品,处于平稳常态时,测试中发现存在间隙性骚扰时,如果样品电 源断开间 隙性骚扰就消失,则该样品电路设计或连接可能存在故障。先检查电 路可能存在的 故障。 前面提到,必要时可以用频谱分析仪和近场探头做近场测量,进行 EMC 溯源诊断:大电流低 电压的源(电流源)主要与磁场关联,而高电压小电流的源(电压源)则主要与电场关 联。数字电路使用低电压的逻辑器件;近场区域内的磁 场的波阻抗远小于电场的波阻抗。大 部分PCB的近场区域中的能量被包含在近磁 场中。比较大的 骚扰频 率点利用磁 场探头进行诊断,探头尽量靠 近被测区域,距离最好小于2.5cm,可以定位骚扰源以及关键的辐射电流环、判明传播途径。工程师可以用电场或磁场探头探测被测设备泄漏区域:箱体接缝,CRT前面、接口线 缆、键 盘线缆、键盘、电 源线
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