探头和电流探头进行EMI干扰排查

简介
在开发电子产品的过程中，电磁干扰EMI（Electro Magnetic Interference）是工程师们不得不考虑的问题。电磁干扰（EMI）可能会导致许多问题，尤其是在产品开发阶段或产品验收阶段。如果电路设计受到电磁干扰的影响，可能会出现乱码显示，数据接触不良或者是其他线路故障。为了限度地减少电磁干扰的影响，各个国家的政府机构都制定并实施了针对各个产品类型的EM输出的严苛标准，一般我们称为电磁兼容性（EMC）测试。所有电子相关的产品在上市前必须强制性通过电磁兼容性测试。
许多EMC兼容测试失败的原因主要来源于电路中的射频能量泄漏和电路板设计本身的相互影响。引起这种干扰的电场和磁场肉眼是不可见的，并且当我们想要深究其原因以期能小化EMI影响时，往往会发现，问题是非常复杂的。

是什么导致了这个问题？
造成辐射干扰的信号或能量来源在哪里？
我该如何解决？
 
好在，我们可以通过一些简单的工具和技术来帮助识别EMI干扰源。一旦确定了干扰源，我们就可以开始着手解决问题。那么怎么去找出干扰源呢？我们需要用到一种技术，这种技术不是严格意义上的标准EMC兼容测试，而是一种预测试，它可以帮助我们快速找到干扰源可能存在的地方，并且不需要昂贵的专业设备和实验室装置。
在本篇应用指南中，我们将介绍一些常用的预兼容测试相关的技术，例如使用近场探头和电流探头来查找可能的EMI泄漏源。此项技术可以快速地识别问题，有效地节约时间和经济成本。此外，通过一些小小的家具，就可以创建出可重复的测试站来关联数据，这些数据可以在你下一款产品进行EMC测试时提供很有价值的参考。
 
需要注意的是，预一致性测试旨在于帮助识别和解决可能会阻碍EMC认证的问题，并不能*替代认证实验室的EMC合规测试。

2、电磁辐射基础知识

电磁辐射常见的产生方式是导体中电流的突变或者电压的骤升，辐射的路径通过PCB走线，器件的引脚，连接器或者是其它的金属介质，包括机箱，机架或者是产品的外壳。电磁辐射实际上是指电场和磁场的相互作用，相互影响。它常常被这样描述：正交时变的电场和磁场的传播，如下图1 所示。

图1 图左上角是电磁波的传播，注意，电场和磁场是互相正交的

图2  由电流产生的磁场

和磁场不一样，电场由移动或者静止的电荷产生。因此，当在散热片或金属外壳等诸如此类导电体的表面上产生电磁辐射时，电场产生的辐射会居于主导地位。电场产生的影响也倾向于远离源（远场）。某些环境因素如无线电台，wifi或者是人为的射频干扰信号，都使得远场测量更容易出现错误。远场测量，比如说某个兼容测试中的信号发射部分的测量，要求测量者拥有比进行近场测量更复杂的设备和更丰富的知识。
 
通过测量由导体产生的电磁场的幅值和频率，我们可以找出可能导致EMI干扰问题的区域。

3、设备清单

以下是一些用于近场故障排除的基础设备清单：
频谱仪/EMI接收机： 测量相对于频率的RF功率。频谱仪的输入频率应该不低于1GHz, DANL为-100dBm (-40dBuV)或者更小，RBW不低于10kHz。

图3 鼎阳的输出频率为2.1GHz的频谱仪SSA3021X

近场探头：购买或者手工自制。分为磁场近场探头和电场近场探头。
电流探头：购买或自制。
50欧姆同轴线缆：使用与近场探头和频谱分析仪RF输入口相匹配的线缆。如果需要的话，探头，同轴线缆，连接器可以同时配套购买。
探头：因为人类的肉眼无法直接看到电磁波，所以我们需要借助一些工具辅助测量。回想一下我们刚刚提到的，导体中的移动电荷产生辐射到整个空间的电磁场。我们可以通过测量电磁场功率值来衡量电路中的感应电压，从而间接地测量出源电场的强度。在EMI故障排除的过程中，常用到的两种探头是近场探头和电流钳。
近场探头和电流钳具有类似的原理。 流过探针的“环路”区域的磁场会产生可测量的电压（图4）。环形区域越大，磁通量就越大，因此更适合寻找一些小信号。但是小的环形区域提供更好的空间分辨率（从而可以更地找到问题点）。许多测试工具中的探头都有多种环尺寸（见图5），从而帮助用户更好地实现灵敏度和空间分辨率之间的平衡。
 
电场探头通常不会有一个环形的区域。用他们获得电场信息的方法更像是单极天线。与磁场探头一样，电场探针旋转与否不影响测量结果，但与信号源的距离是非常重要的影响因素。
 
以下是探头的使用指南：
关闭被测设备，观察频谱仪的测量值，测出本底辐射。注意，任何可能由环境或者本底辐射引起的的射频干扰都要关注。如果在屏蔽良好的实验室中，这个问题可能不是很大，但在普通的实验室中，一定要提前测得环境中存在的本底干扰。
探头的摆放，通信端口终端，以及机器外壳的接缝、通风口等，这些都是在测试中容易出现问题的地方。
电场或磁场的探头离信号源近一点会测得幅值。
磁场探头放置的方向垂直于磁场会比平行于磁场测得更高的数据。
因为在重复的实验中探头的位置是比较重要的，因此把一个不导电的夹具（如木头，塑料）固定在被测设备上，那么探头就可以使用了。记住，探头的位置和放置方向是十分重要的，一点点的位置偏差或者一点点的角度偏差都会在对被测设备进行实验时引起很大的误差。

图4 磁场探头的摆放和角度影响被测设备测得幅值

图5 一组具备不同空间分辨率的近场探头

图6 使用近场探头对PCB板进行辐射测量

电子设备中的线缆和连接器都需要被屏蔽并且接地正确，因为它们是很好的天线，导体外部的微小的电流变化就很容易造成探测到的辐射量超过电磁兼容测试设定的限值。电流钳和频谱仪配合使用可以了解到线缆和连接器产生电磁辐射的原因。
电流钳和近场探头的原理类似我们可以直接从商家购买或把线圈缠在铁夹和BNC连接器上自己制作（如图7所示）。把电流钳靠近待测的线缆，同时把它连接到频谱仪的输入端口，把频谱仪的频率调到设定的范围。

图7 一个手工制作的电流钳

以下是探头的一些使用指南：
如果不能确定输入信号的大小，可以在测量之前给频谱仪的RF输入端加一个外置的衰减器。电源线或者其它高功率的应用可能会影响频谱仪RF输入端口的灵敏度。
测量所有可能和被测设备连接的线缆。包括电源线，USB线，网线等。（如图8）

图8 测量一个连接到示波器的USB线的射频干扰

电流钳，尤其是手工自制的，对环境中的RF信号特别敏感，这可能使得你测到的信号是不准确或者是错误的。先连接所有的电缆，探头等，然后通过关闭被测设备来测得环境中的RF信号，然后把这个本底数据和打开被测设备时所测得的数据相比较，从而得到准确的数据。这对于循环多次测试不断变化的环境中的被测设备的RF信号来说也是一个好办法。

图9 由电流钳测得的环境中的RF信号轨迹（黄色）；以及打开DUT时

的信号轨迹（紫色）
如果你的RF测量实验失败了，那么从出现错误的频率以及产生这些频率的基波开始着手寻找问题。

4、检查和评价

在使用探头检测到的信号干扰可能并不是真实的干扰数据，但是通过观察分析测量结果，对比被测设备的前后状态等方法，用户可以更快的进行故障排除。
以下是一些可参的实验技巧，可以帮助我们观察更多实验中的细节：
大多数的频谱仪不具有预选器。如果你是用一个不配备预选器的频谱仪，你观察到的峰值可能不是真实的。由于带外信号和待测信号混合在一起，没有预选器的频谱仪很可能会观测到一个假峰。
你需要通过外加一个衰减器（可以3dB或者10dB）测试一下这个峰值的有效性，真实的峰值会随着衰减量下降。如果峰值下降的量大于外加衰减的量，那么这个峰值很可能是一个假峰。把这个假峰标注出来和兼容测试中得到的结果进行对比。你也可以使用预选器或者EMI接收器，但是这些配件对于大多数快速测试来说是成本高昂的。
图10 是一个典型的峰值测试实验，黄色的轨迹是没有使用衰减器得到的，紫色的则是给频谱仪的射频输入端外加了一个10 dB的衰减器得到的，这种情况下，峰值下降的量和所添加的衰减量是一致的。这有助于确认该峰值是真峰而不是带外信号的产物。

图10 使用频谱仪的标记功能对两次扫描结果进行标记黄色的轨迹是没有使用衰减器得到的，紫色的则是给频谱仪的射频输入端外加了一个10 dB的衰减器得到的

 
一些具有轨迹类型保持功能的频谱仪将会连续的保存每次频率扫描的值，你可以把一个单轨作为“清除写入”（你可以打开一条迹线为“清除写入”状态），来表现射频信号，然后把另一条设置为保持。这使得你可以比较被测设备在坏的情况下的收集的数据的变化，并且使用保持功能“固定”它们。
可以使用标记和峰值表功能去清楚的找出峰值频率和幅值。

图11 打开标记功能和峰值表功能的频谱仪SSA3000X的界面

5、结论

1.磁场由流动的电流产生。使用磁场近场探头靠近导线或回路去甄别电磁辐射。
2.电场由流动的电流或者静电荷产生。使用电场近场探头在金属平面（例如散热器，机箱，显示屏的边界或者是机壳的缝隙等）去甄别电磁辐射。
3.使用电流钳去甄别潜在的辐射和从线缆和连接器泄漏的谐振。
4.显示屏，机壳的缝隙，带状线缆和通信端口及总线是可能导致辐射泄漏的地方。
5.用导电带或铝箔包裹住可能产生电磁泄漏的部分，并确认包裹是接地的，再次扫描被包住的地方的EMI干扰是否减轻了。
6.连接不良的电缆和连接器也会导致辐射问题。
7.通过给被测器件断电并观察频谱仪上的输出，可以多次测量环境对实验的影响。在测量中要标注出任何的变化以及它们所带来的潜在的影响。
通过一些简单的设备，你可以在室内进行预兼容测试， 这会大限度地减少产品开发时间，降低设计成本，以及减少下一代产品研发过程中的反复测量次数。