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电磁兼容:传导干扰测试
1、简介
EMC测试,简单地说,就是测量产品的射频输出量,并比较其输出值是否符合国家相关部门制定的标准。一般来讲,任何可能会输出RF信号的商业产品,都必须通过上述标准。
EMC兼容测试需要用到专业的设备和专门的技术,对于大多数公司来说,这些设备的成本是非常高昂的,所以一般都是选择在产品开发完成后,送到第三方实验室做认证测试。然而遗憾的是,很少有产品能够一次性就通过,一般都需要多次整改。这样的重复整改和测试,会增加成本,不可避免地,产品上市也将被延迟,这会给公司带来非常重大的损失。
怎么解决这个问题呢?我们可以通过一些简单的工具和技术来减少时间和经济成本的损失。我们可以在产品开发的各个阶段,进行预兼容测试,识别并解决出现的EMC问题,这个过程并不需要昂贵的设备支撑,整体来讲,省时省力又省钱。
在这篇应用文档中,我们将介绍如何进行传导干扰的预兼容测试。这项技术将最大限度地避免产品开发后期的重复整改,帮助工程师更好地理解电路设计中需要注意的EMC问题,同时,对于未来的产品设计中如何规避EMC问题,也是一个很好的参考。

2、传导干扰
传导干扰,主要是测量用电产品产生的,通过线缆传播的射频分量,如能量,信号和数据。大多数对于传导干扰的测试标准都集中在主电源交流分量产生的能量。电缆上过多的射频分量会产生过度干扰,尤其是对于广播收音机和其他的一些广播频段而言。
鼎阳科技频谱分析仪SSA3021X (2.1 GHz)
图1  鼎阳科技频谱分析仪SSA3021X (2.1 GHz)
传导干扰预兼容测试一般需要一台频谱分析仪,两个用作接地层的金属导电板,和线性阻抗稳定网络(LISN)。LISN的作用主要是用来为被测器件(DUT)供电,并将产生的射频能量从DUT转移到频谱分析仪,这样我们就可以通过频谱分析仪屏幕上显示的信息判定出这个被测器件是否符合标准了。我们还可以增加额外的瞬态保护和衰减,以免能量过大,造成对频谱仪的损坏。典型的的传导干扰预兼容测试的设置如图2所示:
典型传导干扰预兼容测试设置,图中用瞬态限幅器和衰减器保护频谱仪的RF输入端
图2 典型传导干扰预兼容测试设置,图中用瞬态限幅器和衰减器保护频谱仪的RF输入端
 这套装备基本能完全模拟出第三方实验室对传导干扰的测试设置,成本很低,并且设备对环境中产生的RF能量不敏感,这使得结果会相对来说比较准确。传导干扰的测试要比辐射干扰的测试来得简单,也更容易获取到准确的数据。
 
设备清单:
频谱分析仪/EMI 接收器:测量相对于频率的RF功率。频谱仪的最高输入频率应该不低于1GHz, DANL为-100dBm (-40dBuV)或者更小,RBW不低于10kHz。
瞬态限幅器(可选用): 保护频谱仪RF输入端,防止能量过大损坏仪器。
衰减器(可选用): 备用3dB和10dB的衰减器,保护频谱仪受到能量过大信号的破坏。
线性阻抗稳定网络(LISN):将DUT产生的RF能量传输到频谱分析仪/EMI 接收机。选择符合国家相关部门出台的EMC标准,和DUT适配的LISN
 
注意:请认真研读LISN用户手册。某些设计可能存在潜在的高压,非常危险,可能需要特殊说明才能安全操作。
 
水平接地层:导电金属片的宽度约为15cm。DUT到垂直接地层留出40cm的距离。
垂直接地层:导电金属片的宽度约为15cm。DUT到水平接地层留出80cm的距离。水平和垂直接地层两者交汇处采用低阻抗导电带连接。
LISN连接: 短金属导电片,用于将LISN连接到水平接地层。需要具备低阻抗特性,最好是薄金属带。如果用电线的话,效果不理想。
不导电工作台:尺寸略大于DUT。材质可以是木材,玻璃纤维,塑料。
 
物理设置
将DUT放在不导电工作台的中心位置
将水平接地层放到与DUT距离80cm的位置,并在DUT正下方居中。
将垂直接地层放到与DUT距离40cm的位置,并以DUT为中心。将垂直和水平接地层电气连接。
将LISN连接到水平接地层。
将频谱分析仪/EMI接收机放置在离水平接地层的边缘几英尺的地方,并将其连接电源。
 
测试前检查
根据频谱分析仪制造商的建议预热仪器。
打开LISN电源,但此时注意不要连接DUT。
将LISN RF输出端连接到频谱仪的RF输入端。同时可以连上瞬态限幅器和3dB或者10dB的衰减器。
 
设置频谱仪:
将起始频率设置为150 kHz
将终止频率设置为30 MHz
将RBW设置为1 MHz
将检波方式设置为正峰值检波
 
将LISN校正数据输入分析仪并启用校正功能以确保测量的准确性
许多频谱分析仪都有创建Limit模板的功能。如果可用,您可以将特定的Limit模板添加到频谱分析仪,这样可以进一步简化测量过程。
 
(选用)如果使用瞬态限幅器,请将其校正数据输入分析仪并启用校正功能以确保测量的准确性
(选用)如果使用外部衰减器,请将其校正数据输入分析仪并启用校正功能以确保测量的准确性
 
在没有输入的前提下,观测频谱仪的界面,它的谱线应该是平滑且功率非常低的。您也可以将RBW设置到最低,显示出来的谱线代表的是本底噪声。
我们可以将这些保存为图片或图像文件以供稍后参考。 下面的图3显示了鼎阳科技 SSA3032X频谱分析仪的开路频谱图,其配置如上所述:
 SSA3032X频谱分析仪的开路本底噪声
图3   SSA3032X频谱分析仪的开路本底噪声
初次扫描
断开LISN输出端与频谱仪输入端的连线。
将电源线从DUT连接到LISN,电源线不能卷曲和缠绕。确保其平放并且不在DUT和水平接地层之间。
 
打开DUT的电源。
将LISN RF输出端重新连接到频谱分析仪RF输入端。注意:这些步骤为频谱分析仪前端增加了另一层保护。 一些LISN还拥有最小化这些瞬变值的特性,在这种情况下,这些步骤就可做可不做了。
观察扫描结果并记录3dB内或者是超过limit模板的峰值。这些是潜在的产生问题区域。
图4 展示了未通过Limit模板的扫描结果
初步扫描显示,根据FCC第15条针对无意射频干扰的规定,该峰值已经超过B类限制标准
图4 初步扫描显示,根据FCC第15条针对无意射频干扰的规定,该峰值已经超过B类限制标准
 
继续扫描和评估
上述初步扫描已经大致锁定了出现射频泄漏的频率范围。但是,设置与大多数规格中指出的设置不同。我们建议使用以下频谱仪设置:RBW = 10 kHz,检波方式=正峰值,Span= 30MHz。这使您可以快速分析有问题的区域,并对DUT的射频泄漏情况有一个大概的了解。
 
更多可选的器件有助于使测量更精确:
 
大多数频谱分析仪没有预选滤波器。如果您使用的是没有预选滤波器的频谱分析仪,则您观察到的峰值可能不真实。没有预选滤波器的分析仪会因带外信号与观测信号混合而产生假峰值。
 
您可以通过添加外部衰减器来测试峰值的真假(选用3dB或者10dB衰减器)。随着衰减量的增加,真峰值的波峰会下降。如果峰值下降的幅度超过了衰减值,那么很有可能是假峰值。
 
实际峰值将减少衰减器的数量。如果峰值下降超过衰减器,则可能是假峰值。记下假峰值,以便与合规性测试结果进行比较。您也可以使用预选滤波器或EMI接收器,但这些对于大多数快速测试来说往往成本过高。记录下假峰值,以便后期进行对比。
 
图5 给出了一个典型的峰值确认的测试图。在没有衰减器的情况下,屏幕上显示的是黄色迹线。粉红色迹线是添加了10dB衰减后的结果。我们不难看出,峰值下降的量与衰减量相同,我们可以判定出这个峰值是真实的,而不是带外信号的产物。
使用SIGLENT SSA3000X频谱分析仪的Marker功能进行两次扫描的比较
图5:使用SIGLENT SSA3000X频谱分析仪的Marker功能进行两次扫描的比较
 一些频谱仪的工具包功能非常近似于EMI接收器,不过这些工具包通常是选配的:
 
EMI滤波器:(6dB带宽)
RBW带宽为200 Hz,9 kHz和120 kHz
准峰值(QP)检波器
 
如果您猜测该DUT具有瞬态的RF脉冲,或者间歇性的数字通信,或者偶发的瞬态高功率信号,那么最好是用EMI 滤波器和准峰值检波器重新扫描一下。
将频谱仪的中心频率设置为感兴趣的峰值频率,将SPAN设置为指定RBW的10倍,然后将滤波器更改为EMI,将检波器更改为准峰值(QP)检波器,然后观察扫描。由于准峰值检波器自身特性原因,使用QP检波器扫描时间会把一般的要长。
许多频谱分析仪都具有‘最大保持’功能。可以持续保持每个频率点扫描出的最高幅值。这个功能将使得您可以将每个频点的最坏的数据收集到,并加以比较。
如果可以的话,您可以使用Marker功能和峰值表功能,使其能够清楚地显示出峰值频率和幅值。
激活峰值表和marker标记功能
图6 激活峰值表和marker标记功能
上位机软件
为了便于搜集EMC报告数据和屏幕截图,SIGLENT鼎阳还提供了一个名为EasySpectrum的免费软件包。它可以让用户快速输入,存储和调用硬件校正因子,生成Limit限制模板和生产扫描报告等。更多相关信息,请参考SSA3000X软件页面。
SIGLENT鼎阳的EasySpectrum软件的EMI扫描报告示例
图7  SIGLENT鼎阳的EasySpectrum软件的EMI扫描报告示例
3、结论
几乎所有会产生射频泄漏的商业性电子产品都需要进行EMC认证。一般的公司都会送到第三方实验室进行检验,但是这价格非常高昂,并且实验室本身也是需要预约的,所以对于公司来讲,时间和经济成本的代价都很高。
 
通过一些简单的工具和方法,可以先行进行预兼容测试,从而大大缩短产品开发总时间,降低成本,自行反复整改和调试的经验,也会大大减少未来产品的EMC问题。
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