Dépannage EMI, étape par étape

Dans cet article, nous décrirons les étapes que nous prenons habituellement pour dépanner les quatre principaux problèmes d'EMI, les émissions menées, les émissions rayonnées, l'immunité rayonnée et les décharges électrostatiques.

Dans cet article, nous décrirons les étapes que nous prenons habituellement pour dépanner les quatre principaux problèmes d'EMI, les émissions menées, les émissions rayonnées, l'immunité rayonnée et les décharges électrostatiques. Parmi ces derniers, les trois dernières sont les problèmes les plus répandus, les émissions rayonnées étant généralement l'échec numéro un. Si votre produit ou système (EUT) possède une alimentation adéquate et le filtrage des ports d'E / S, les émissions réalisées et les autres tests d'immunité liés à la ligne électrique ne sont généralement pas un problème.

Pour votre commodité, nous avons développé une liste des équipements recommandés pour le dépannage des EMI. Le lien de téléchargement est répertorié dans la référence 1.


Émissions réalisées

Il ne s'agit généralement pas d'un problème en raison d'un filtrage adéquat des lignes électriques, mais de nombreuses sources d'alimentation à faible coût n'ont pas de bon filtrage. Certaines marques "sans nom" n'ont pas de filtrage du tout! Le test d'émissions menées est facile à exécuter, alors, vous allez.


Configurez votre analyseur de spectre comme suit:
  1. 1. Fréquence 150 kHz à 30 MHz
  2. 2. Bande passante de résolution = 10 ou 9 kHz
  3. 3. Préampli = désactivé
  4. 4. Réglez le niveau de référence afin que les harmoniques les plus élevées soient affichées et que l'échelle verticale soit lue dans des incréments de 10 dB
  5. 5. Utiliser la détection moyenne initialement et la détection du CISPR sur tous les pics plus tard
  6. 6. Atténuation interne - Commencez d'abord avec 20 à 30 dB et ajustez-vous pour une meilleure affichage et sans surcharge de l'analyseur.
  7. 7. Réglez les unités verticales en dBμV
Nous souhaitons également régler l'échelle horizontale de linéaire à log, de sorte que les fréquences sont plus faciles à lire.

Obtenez un réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN) et positionnez-le entre le produit ou le système testé et l'analyseur de spectre. Notez la séquence de connexion ci-dessous!

ATTENTION : Il est souvent important d'allumer l'EUT avant de connecter le LISN à l'analyseur. Cela s'explique par le fait que de grands transitoires peuvent se produire lors de la mise sous tension et peuvent potentiellement détruire l'étage d'entrée sensible de l'analyseur. Notez que TekBox LISN a une protection transitoire intégrée. Tous ne font pas ... vous avez été averti! 4.

Mettez le EUT sous tension, puis connectez le port de sortie 50-Ohm du LISN à l'analyseur. Notez que les harmoniques sont généralement très élevés aux fréquences plus basses et diminuent vers 30 MHz. Assurez-vous que ces harmoniques supérieures ne dépassent pas l'analyseur. Ajouter une atténuation interne supplémentaire, si nécessaire.

En comparant les pics moyens détectés avec les limites CISPR appropriées, vous pourrez indiquer si l'EUT est en train de passer ou d'échouer avant les tests formels de conformité.


Transmetteurs ambiants

Un problème auquel vous rencontrerez immédiatement est que lorsque vous testez à l'extérieur d'une chambre blindée ou d'une chambre semi-anéchoïque, il y a le nombre de signaux ambiants issus de sources comme les émetteurs de radiodiffusion FM et TV, le téléphone cellulaire et la radio bidirectionnelle. Ceci est particulièrement important lors de l'utilisation de sondes actuelles ou d'antennes externes. Je lancerai généralement un tracé de base sur l'analyseur en utilisant le mode "Max Hold" pour créer un diagramme ambiant composite. Ensuite, j'activerai des traces supplémentaires pour les mesures réelles. Par exemple, j'ai souvent trois parcelles ou traces sur l'écran; la ligne de base ambiante, le tracé "avant" et le tracé "après" avec une correction appliquée.

Souvent, il est plus facile de réduire la portée de fréquence sur l'analyseur de spectre à zéro sur une harmonique particulière, éliminant ainsi la plupart des signaux ambiants. Si l'harmonique est une onde continue à bande étroite (CW), réduire la bande passante de résolution (RBW) peut également aider à séparer les harmoniques EUT des environnements proches. Assurez-vous simplement que la réduction du RBW ne réduit pas non plus l'amplitude harmonique.

Une autre précaution est que les transmetteurs proches puissants peuvent affecter la précision d'amplitude des signaux mesurés, ainsi que créer des produits de mélange qui semblent être des harmoniques, mais sont vraiment des combinaisons de la fréquence de l'émetteur et du circuit de mélangeur dans l'analyseur. Vous devrez peut-être utiliser un filtre passe-bande externe à la fréquence harmonique souhaitée pour réduire l'impact de l'émetteur externe. Bien que plus coûteux, un récepteur EMI avec présélection accordée serait plus utile qu'un analyseur de spectre normal dans les environnements RF élevés. Keysight Technologies et Rohde & Schwarz seraient des fournisseurs à considérer. Toutes ces techniques sont décrites plus en détail dans la référence 3.

Émissions rayonnées

C'est normalement le test de risque le plus élevé. Configurez votre analyseur de spectre comme suit:

  1. 1. Fréquence 10 à 500 MHz
  2. 2. Bande passante de résolution = 100 ou 120 kHz
  3. 3. Préampli = On (ou utilisez un préampli externe de 20 dB si l'analyseur manque)
  4. 4. Réglez le niveau de référence afin que les harmoniques les plus élevées soient affichées et que l'échelle verticale soit lue dans des incréments de 10 dB
  5. 5. Utilisez une détection de pointe positive
  6. 6. Réglez l'atténuation interne = zéro

Parfois, je préfère définir les unités verticales du dBm par défaut à dBμV, de sorte que les nombres affichés sont positifs. C'est aussi la même unité utilisée dans les limites d'essai des normes. J'aime également régler l'échelle horizontale de linéaire à log, de sorte que les fréquences sont plus faciles à lire.

Je réalise mon balayage initial jusqu'à 500 MHz, car c'est généralement le pire cas pour les harmoniques numériques. Vous voudrez également enregistrer les émissions au moins jusqu'à 1 GHz (ou plus) afin de caractériser toutes les autres émissions dominantes. D'une manière générale, la résolution des harmoniques de fréquence inférieure réduira également les harmoniques supérieures.


Sondage près du terrain

La plupart des kits de sondes à champ proche sont équipés de sondes en champ E et en champ H. Décider sur les sondes de champ H ou de champ E dépend de la présence de courants de sondage - c'est-à-dire de di / dt élevé (traces de circuit, câbles, etc.) ou haute tension - que EMI est, dV / dt - ( commutation d'alimentation, etc.) respectivement. Les deux sont utiles pour localiser les coutures qui fuient ou les lacunes dans les enceintes blindées.

Commencez par la plus grande sonde de champ H (Figure 1) et reniflez autour de l'enceinte du produit, de la carte de circuit imprimé et des câbles attachés. L'objectif est d'identifier les principales sources de bruit et les fréquences spécifiques à bande étroite et large bande. Indiquez les emplacements et les fréquences dominantes observées. Lorsque vous entrez sur les sources, vous voudrez peut-être passer à des sondes de champ H de plus petit diamètre, ce qui offrira une plus grande résolution (mais moins de sensibilité).

Figure 1
Figure 1. Une sonde à champ proche sert à identifier les sources potentielles d'émissions.
Figure 2
Figure 2. Les sondes de champ H offrent la meilleure sensibilité lorsqu'elles sont orientées par rapport à la trace ou au câble du circuit, comme indiqué. Figure, courtoisie Patrick André.

Rappelez-vous que toutes les sources d'énergie à haute fréquence situées sur le tableau ne rayonnent pas! Le rayonnement nécessite une certaine forme de couplage à une structure "similaire à une antenne", comme un câble E / S, un câble d'alimentation ou une couture dans l'enceinte blindée.

Comparez les fréquences harmoniques avec des oscillateurs d'horloge connus ou d'autres sources à haute fréquence. Cela aidera à utiliser la calculatrice de l'oscillateur d'horloge, développée par mon co-auteur, Patrick André. Voir le lien de téléchargement dans la référence 2.

Lorsque vous appliquez des correctifs potentiels au niveau de la carte, assurez-vous de retirer la sonde de champ proche pour réduire la variation que vous rencontrerez dans l'emplacement physique de la pointe de la sonde. Rappelez-vous, nous sommes principalement intéressés par des changements relatifs lorsque nous appliquons des corrections.

En outre, les sondes de champ H sont plus sensibles (coupleront le plus grand flux magnétique) lorsque leur plan est orienté en parallèle avec la trace ou le câble. Il est également préférable de positionner la sonde à 90 degrés par rapport au plan de la carte PC. Voir la figure 2.

Current Probe Ensuite, mesurez les courants de câble en mode commun (y compris les câbles d'alimentation) avec une sonde de courant à haute fréquence, comme le modèle de communication personnalisée Fischer F-33-1 ou équivalent (figure 3). Documenter les emplacements des plusieurs harmoniques supérieurs et comparer avec la liste déterminée par le sondage en champ proche. Ceux-ci seront les plus susceptibles de rayonner et provoqueront des pannes de test, car ils circulent sur des structures semblables à des antennes (câbles). Utilisez le tableau d'étalonnage fourni par le fabricant de l'impédance de transfert pour calculer le courant réel à une fréquence particulière. Notez qu'il ne faut que 5 à 8 μA de courant haute fréquence pour échouer aux limites de test FCC ou CISPR.

figure 3
Figure 3. Utilisation d'une sonde de courant pour mesurer les courants de haute fréquence qui s'écoulent sur les E / S et les câbles d'alimentation.

Il est judicieux de faire glisser la sonde actuelle vers l'avant pour maximiser les harmoniques. C'est parce que certaines fréquences résonnent dans différents endroits, en raison des ondes stationnaires sur le câble.

Il est également possible de prédire le champ E (V / m) rayonné étant donné le courant circulant dans un fil ou un câble, avec l'hypothèse que la longueur est électriquement courte à la fréquence de préoccupation. Cela s'est avéré être précis pour des câbles de 1 m à 200 MHz. Reportez-vous à la référence 3 pour plus de détails.


Note sur l'utilisation des antennes externes

Notez qu'il existe deux objectifs distincts lors de l'utilisation d'antennes EMI externes;

  1. 1. Dépannage relatif, où vous connaissez des zones de fréquences défectueuses et besoin de réduire leurs amplitudes. Une antenne calibrée n'est pas nécessaire, car seuls les changements relatifs sont importants. L'important que je considère que le contenu harmonique de l'EUT soit facilement visible.
  2. 2. Essais de pré-conformité, où vous souhaitez dupliquer l'installation de test utilisée par le laboratoire de test de conformité. C'est-à-dire la mise en place d'une antenne étalonnée à 3 m ou à 10 m du produit ou système testé et en déterminant à l'avance si vous passez ou échouez.

Test pré-conformité pour les émissions rayonnées

Si vous souhaitez mettre en place un test de pré-conformité (# 2 ci-dessus), puis une antenne EMI étalonnée espacée à 3 m ou 10 m de l'EUT, vous pouvez calculer le champ E (dBμV / m) en enregistrant le dBμV de l'analyseur de spectre et l'affacturage de la perte coaxiale, le gain de préampli externe (si utilisé), tout atténuateur externe (si utilisé) et le facteur d'antenne (à partir de l'étalonnage de l'antenne fourni par le fabricant). Ce calcul peut ensuite être comparé directement aux limites d'essai des émissions rayonnées de 3 m ou 10 m en utilisant la formule:

E-field (dBμV / m) = SpecAnalyzer (dBμV) - PreampGain (dB) + CoaxLoss (dB) + AttenuatorLoss (dB) + AntFactor (dB)

Aux fins de cet article, je me concentrerai principalement sur la procédure de dépannage à l'aide d'une antenne étroitement espacée (n ° 1 ci-dessus) pour la caractérisation générale des niveaux d'harmoniques effectivement rayonnés et des corrections potentielles. Par exemple, le fait de savoir que vous pouvez être sur la limite de 3 dB à une certaine fréquence harmonique signifie que votre objectif devrait être de réduire cette émission de 6 à 10 dB pour une marge adéquate.

Figure 1
Figure 4. Une configuration d'essai typique pour mesurer les émissions radiées réelles lors du dépannage des causes.


Dépannage avec une antenne à espace rapproché

Une fois que le profil harmonique du produit est entièrement caractérisé, il est temps de voir quelles harmoniques rayonnent réellement. Pour ce faire, nous utilisons une antenne espacée à au moins 1 m du produit ou système testé pour mesurer les émissions réelles (Figure 4). En règle générale, il s'agira d'une fuite des E / S attachés ou des câbles d'alimentation, ainsi que des fuites dans l'enceinte blindée. Comparez ces données avec celles du champ proche et des sondes actuelles. Pouvez-vous maintenant déterminer la (les) source (s) probable (s) des émissions notées?

Essayez de déterminer si le rayonnement du câble est le problème dominant en enlevant les câbles un par un. Vous pouvez également essayer d'installer un starter de ferrite sur un ou plusieurs câbles comme test. Utilisez les sondes de champ proche pour déterminer si des fuites se produisent également à partir de coutures ou d'ouvertures dans l'enceinte blindée.

Une fois que les sources d'émission sont identifiées, vous pouvez utiliser votre connaissance du filtrage, de la mise à la terre et du blindage pour atténuer les émissions des problèmes. Essayez de déterminer le chemin de couplage de l'intérieur du produit à tout câble extérieur. Dans certains cas, il faudra peut-être redéfinir la carte de circuit en optimisant l'empilement de la couche ou en éliminant les traces à grande vitesse, traversant les interstices dans les avions de retour, etc. En observant les résultats en temps réel avec une antenne espacée à une certaine distance, l'atténuation la phase devrait aller rapidement.



Problèmes courants

Il existe un certain nombre de zones de conception de produits qui peuvent provoquer des émissions rayonnées:

  1. 1. Les mauvaises terminaisons du bouclage du câble sont le problème principal
  2. 2. Protection contre les produits dangereux
  3. 3. Raccordement des câbles internes aux coutures ou aux zones d'E / S
  4. 4. Traces à grande vitesse traversant les interstices dans l'avion de retour
  5. 5. Sous-optimale couche empilement
Reportez-vous aux références pour plus de détails sur les problèmes de conception du système et de la carte PC pouvant entraîner des pannes d'émissions.

Immunité rayonnée

La plupart des tests d'immunité rayonnés sont effectués de 80 à 1000 MHz (ou, dans certains cas, jusqu'à 2,7 GHz). Les niveaux de test communs sont de 3 ou 10 V / m. Les produits militaires peuvent atteindre 50 à 200 V / m, selon l'environnement opérationnel. La norme commerciale pour la plupart des produits est la CEI 61000-4-3, dont la configuration de test est tout à fait impliquée. Cependant, en utilisant des techniques simples, vous pouvez identifier et résoudre la plupart des problèmes rapidement.

Radio portable Pour l'immunité rayonnée, nous commençons généralement à l'extérieur de l'EUT et utilisons des émetteurs portatifs sans licence, tels que les talkies-walkies Family Radio Service (FRS) (ou équivalent) pour déterminer les zones de faiblesse. En maintenant ces radios de faible puissance proches du produit ou du système testé, vous pouvez souvent forcer une défaillance (Figure 5).

Tenez le bouton d'émission enfoncé et exécutez l'antenne radio autour de l'EUT. Cela devrait inclure tous les câbles, coutures, ports d'affichage, etc.

figure 5
Figure 5. Utilisation d'un émetteur sans licence pour forcer une défaillance.

Générateur de RF

Il est très fréquent que seules certaines bandes de fréquences soient sensibles et, parfois, les radios portables à fréquence fixe ne soient pas efficaces. Dans ce cas, j'utilise un générateur RF réglable avec une sonde en H de grande taille attachée et mesurer tout autour à des fréquences d'échappement connues. Il aide également à sonder les câbles internes et la carte PC pour déterminer les zones de sensibilité. Pour les produits plus petits, comme dans la Figure 6, essayez d'utiliser les plus petites sondes de champ H pour une meilleure résolution physique.
figure 6
Figure 6. Utilisation d'un générateur RF et d'une sonde de champ H pour déterminer les zones de sensibilité.

À la place des plus grands générateurs RF de qualité de laboratoire, j'utilise également un synthétiseur RF à faible contrôle USB, tel que Windfreak SynthNV (ou équivalent) avec la sonde de champ proche. Le SynthNV peut produire une puissance RF allant jusqu'à +19 dBm de 34 MHz à 4,4 GHz, donc fonctionne bien. Cela correspond également à mon kit de dépannage EMI. Voir la figure 7. Vous trouverez une liste des générateurs recommandés dans la référence 1.

figure 7
Figure 7. Utilisation d'un petit générateur RF synthétisé pour produire des champs RF intenses autour de la pointe de la sonde

Décharge électrostatique

Les tests de décharge électrostatique sont mieux réalisés à l'aide d'une configuration de test comme décrit dans la norme CEI 61000-4-2. Cela nécessite une table de test et des plans au sol de certaines dimensions. L'EUT est placé au milieu de la table de test. Je suggère habituellement de remplacer les carreaux de sol par des tôles en cuivre ou en aluminium de 4 x 8 pieds, qui entreront dans les espaces des carreaux existants (figure 8). Le test nécessite un simulateur ESD, disponible à partir d'un certain nombre de sources. Voir référence 1. J'utilise l'ancien KeyTek MiniZap, qui est relativement petit et peut être ajusté à +/- 15 kV. Il existe plusieurs autres conceptions appropriées (et plus récentes).

figure 8
Figure 8. Configuration du test ESD selon CEI 6100-4-2. Image, courtoisie par Keith Armstrong.

Les tests d'ESD sont assez complexes en ce qui concerne l'identification des points de test, mais il existe essentiellement deux tests: décharge d'air et décharge de contact. Utilisez une décharge d'air pour tous les points où un opérateur pourrait toucher l'extérieur de l'EUT. Utilisez une décharge de contact pour tous les métaux exposés où un opérateur pourrait toucher et déverser. Testez les polarités positives et négatives. La plupart des tests commerciaux nécessitent une décharge de contact de 4 kV et une décharge d'air de 8 kV.

La configuration du test comprend également des plans de couplage horizontaux et verticaux. Utilisez la pointe de décharge de contact dans les plans de couplage. Ces avions ont besoin d'un chemin de décharge haute impédance sur la terre. Voir la norme CEI pour les détails et les procédures d'essai exactes.


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Figure 9. Un simulateur ESD typique avec des conseils de décharge d'air et de contact. Il peut produire jusqu'à +/- 15 kV.

Résumé

En développant votre propre laboratoire de test de dépannage et de pré-conformité EMI, vous économiserez du temps et de l'argent en déplaçant le processus de dépannage en interne, plutôt que le temps de planification et les retards de coûts et de planification associés en fonction des laboratoires d'essais commerciaux.

La plupart des tests EMI à haut risque sont facilement réalisés avec des équipements peu coûteux. Les économies de coûts en effectuant un dépannage à votre propre installation peuvent atteindre jusqu'à des centaines de milliers de dollars et des semaines ou des mois de retards dans les produits.


Les références

Liste recommandée de l'équipement de dépannage EMI - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

  1. 1. Calculatrice de l'oscillateur d'horloge (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
  2. 2. André et Wyatt, EMI Guide de dépannage pour les concepteurs de produits, SciTech, 2014.
  3. 3. Joffe et Lock, Grounds For Grounding, Wiley, 2010
  4. 4. Ott, Ingénierie de Compatibilité Electromagnétique, Wiley, 2009
  5. 5. Mardiguines, techniques de dépannage EMI, McGraw-Hill, 2000
  6. 6. Montrose, EMC Made Simple, Montrose Compliance Services, 2014
  7. 7. Morrison, mise à la terre et blindage - Circuits et interférences, Wiley, 2016
  8. 8. Williams, EMC pour Product Designers, Newnes, 2017


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