電磁干擾(EMI)問(wèn)題診斷步驟（一）

電磁干擾的觀(guān)念與防制﹐在國內已逐漸受到重視。由于歐美各國多已實(shí)施電磁干擾的要求﹐加上數字產(chǎn)品的普遍使用﹐對電磁干擾的要求已是刻不容緩的事情。筆者由于工作作的關(guān)系﹐經(jīng)常遇到許多產(chǎn)品已完成成品設計﹐因無(wú)法通過(guò)EMI測試﹐而使設計工程師花費許多時(shí)間和精力投入EMI的修改﹐由于屬于事后的補救﹐往往投入許多時(shí)間與**﹐甚而影響了產(chǎn)品上市的時(shí)機。

1、EMI 設計要點(diǎn)

      很多初學(xué)者對于EMI設計都摸不著(zhù)頭腦，其實(shí)我當初也是一樣，但是在做了幾次設計以后，也逐漸有了一些體會(huì )。
      首先，對于大腦里面一定要清楚一個(gè)概念－－在高頻里面，自由空間的阻抗是377歐姆，對于一般的EMI中的空間輻射來(lái)說(shuō)，是由于信號的回路到了可以和空間阻抗相比擬的地步，因而信號通過(guò)空間“輻射”出來(lái)。瞭解了這一點(diǎn)，要做的就是把信號回路的阻抗降下來(lái)。

      控制信號回路的阻抗，主要的辦法是縮短信號的長(cháng)度，減少回路的面積，其次是採取合理的端接，控制回路的反射。其實(shí)控制信號回路的一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是對重點(diǎn)信號進(jìn)行包地處理（在兩邊近的距離走地線(xiàn)，尤其是雙面板要特別注意，因為雙面微帶模型阻抗有150歐姆，和自由空間布相上下，而包地可以提供幾十歐姆的阻抗），請注意由于走線(xiàn)本身在高頻里面也是有阻抗的，所以好採用地平面或者地線(xiàn)多次接過(guò)孔到地平面。我很多的設計都是在採用包地以后，避免了時(shí)鐘信號的輻射超標。

      另外就是要避免信號穿越被分割的區域，很多工程師信號對地進(jìn)行分割，但有時(shí)候又忘記了，把線(xiàn)布過(guò)了這些區域，結果造成信號回路繞過(guò)很大的區域，無(wú)形中增加了佈線(xiàn)長(cháng)度。

      對于EMI傳導的部分，重點(diǎn)是要用好旁路電容和去藕電容。旁路電容（提供一條交流短路線(xiàn)）一定要以短的連線(xiàn)佈置在晶片電源管腳和地線(xiàn)（平面）上。去藕電容要放在電流需求變化大的地方，避免因為走線(xiàn)的阻抗（電感），讓雜訊從電源和地線(xiàn)上藕合出去。當然，合理串聯(lián)使用磁珠，可以“吸收”（轉換成熱能）這些雜訊。電感有時(shí)也可以用來(lái)濾除雜訊，但是請注意電感本身也是有頻率響應范圍的，而且封裝也決定其頻率響應……

      以上是一些基本的體會(huì )，對于EMI設計來(lái)說(shuō)，需要你真正瞭解你自己的設計，什麼地方需要重點(diǎn)照顧，什麼地方出了問(wèn)題會(huì )是什麼樣的現象，備選方案是什麼，都需要預先整理好。


2.干擾正確的診斷

      要解決產(chǎn)品上的EMI問(wèn)題﹐若能在產(chǎn)品設計之初便加以考慮﹐則可以節省事后再投入許多時(shí)間與**。由于目前EMI Design-in的觀(guān)念并不是十分普遍﹐而且由于事先的規劃并不能保證其成品可以完全符合電磁干擾的測試在﹐所以如何正確的診斷EMI問(wèn)題﹐對于設計工程師及EMI工程師是非常重要的。

      事實(shí)上﹐我們如果把EMI當做一種**﹐當然平時(shí)的預防保養是很重要的﹐而一旦有**則正確的診斷﹐才能得到快速的痊愈﹐沒(méi)有正確的診斷﹐找不到病癥的源頭﹐往往事倍功半而拖延費時(shí)。故在EMI的問(wèn)題上﹐常?？吹揭粋€(gè)EMI有問(wèn)題的產(chǎn)品﹐由于未能找到造成EMI問(wèn)題的關(guān)鍵﹐花了許多時(shí)間﹐下了許多對策﹐卻始終無(wú)法解決﹐其中亦不乏專(zhuān)業(yè)的EMI工程師。以往談到EMI往往強調對策方法﹐甚而視許多對策秘決或絕招﹐然而沒(méi)有正確的診斷﹐而在產(chǎn)品上加了一大堆EMI抑制組件﹐其結果往往只會(huì )使EMI情況更糟。

      筆者起初接觸產(chǎn)品EMI對策修改時(shí)﹐會(huì )聽(tīng)到**EMI工程師說(shuō)把所有EMI對策拿掉﹐就可以通過(guò)測試。初聽(tīng)以為是句玩笑話(huà)﹐如今回想這是很寶貴的經(jīng)驗談。而后亦聽(tīng)到許多EMI工程師談到類(lèi)似的經(jīng)驗。本文中將舉出實(shí)際的例子﹐讓讀者更加了解EMI的對策觀(guān)念。

      一般提到如何解決EMI問(wèn)題﹐大多說(shuō)是case by case,當然從對策上而言﹐每一個(gè)產(chǎn)品的特性及電路板布線(xiàn)（layout)情況不同﹐故無(wú)法用幾套方法而解決所有EMI的問(wèn)題﹐但是長(cháng)久以來(lái)﹐我們一直想要把處理EMI問(wèn)題并做適當的對策﹐另外也提供專(zhuān)業(yè)的EMI工程師一種參考方法。在此我們把電磁干擾與對策的一些心得經(jīng)驗整理﹐希望能對讀者有些幫助。


3.EMI初步診斷步驟

     我們提出一套EMI診斷上的參考驟﹐希望用有系統的方式﹐快速的找出EMI的問(wèn)題。我們并不淮備探討一些理論計算或公式推演﹐將從實(shí)務(wù)上說(shuō)明。
     當一個(gè)產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)EMI測試﹐首先就要有一個(gè)觀(guān)念﹐找出無(wú)法通過(guò)的問(wèn)題點(diǎn)﹐此時(shí)千萬(wàn)不能有主觀(guān)的念頭﹐要在那些地方下對策。常常有許多有經(jīng)驗的EMI工程師﹐由于修改過(guò)許多相關(guān)產(chǎn)品﹐對于產(chǎn)品可能造成EMI問(wèn)題的地方也非常了解﹐而習慣直接就下**﹐當然一般皆可能非常有效﹐但是偶而也會(huì )遇到很難修改下來(lái)﹐后發(fā)現問(wèn)題的關(guān)鍵都是起行認為不可能的地方﹐之所以會(huì )種疏失﹐就是由于太主觀(guān)了。因此﹐不論產(chǎn)品特性熟不熟﹐我們都要逐一再確認一次﹐甚而多次確認。這是因為造成EMI的問(wèn)題往往是錯綜復雜﹐并非單一點(diǎn)所造成。故反復的做確認及診斷是非常重要的。

      我們將初步的診斷步驟詳列于下﹐并加以說(shuō)明其關(guān)鍵點(diǎn)﹐這些步驟看來(lái)似乎非常平凡簡(jiǎn)單﹐不像介紹對策方法各種理論秘籍絕招層出不窮﹐變化奧妙。其實(shí)﹐許多**EMI工程師在其對策處理時(shí)﹐大部份的時(shí)間都在重復這些步驟與判斷。筆者要再次強調﹐只有真正找到造成EMI問(wèn)題的關(guān)鍵﹐才是解決EMI的佳途徑﹐若僅憑理論推測或經(jīng)驗判斷﹐有時(shí)反而會(huì )花費更多的時(shí)間和精力。


電磁兼容(EMC)整改步驟一：
將桌子轉到待測（EUT）大發(fā)射的位置﹐初步診斷可能的原因﹐并關(guān)掉EUT電源加以確認。
      由于EMI測試上﹐EUT必須轉360度而天線(xiàn)由1m到4m變化﹐其目的是要記錄輻射大的情況。同樣地﹐當我們發(fā)現無(wú)法通過(guò)測試時(shí)﹐首先我們先將天線(xiàn)位置移到噪聲接收大高度﹐然后將桌子轉到差角度﹐此時(shí)我們知道在EUT面對天線(xiàn)的這一面輻射強﹐故可以初步推測可能的原因﹐如此處屏蔽不佳或靠近輻射源或有電線(xiàn)電纜經(jīng)過(guò)等。

      另外須注意的是要關(guān)掉EUT的電源﹐看噪聲是否存在﹐以確定噪聲確實(shí)是由EUT所產(chǎn)生。曾見(jiàn)測試Monitor一直無(wú)法解決某一點(diǎn)的干擾﹐結果其噪聲是由PC所造成而非Monitor的問(wèn)題﹐亦有在OPEN SITE測試Monitor發(fā)現某幾點(diǎn)無(wú)法通過(guò)﹐由測試接收儀器的聲音判斷應是Monitor產(chǎn)生﹐結果關(guān)掉電源發(fā)現噪聲依然存在﹐所以關(guān)掉EUT電源的步驟是必須的﹐而且通常容易被忽略。

電磁兼容(EMC)整改步驟二 ：
      將連接EUT的周邊電纜逐一取下﹐看干擾的噪聲是否降低或消失，若取下某一電纜而干擾的頻率減小或甚而消失﹐則可知此電纜已成為天線(xiàn)將機板內的噪聲輻射出來(lái)。事實(shí)上﹐仔細分析造成EMI的關(guān)鍵﹐我們可以用一個(gè)很簡(jiǎn)單的模式來(lái)表示。

      任何EMI的Source必須要有天線(xiàn)的存在﹐才能產(chǎn)生輻射的情形﹐若僅單獨存在噪聲源而沒(méi)有天線(xiàn)的條件﹐此輻射量是很小的﹐若將其連接到天線(xiàn)則由于天線(xiàn)效應便把能量輻射到空間。所以EMI的對策除了針對噪聲源（Source)做處理外﹐重要的查破壞產(chǎn)生輻射的條件----天線(xiàn)。

      以往我們?？吹秸凟MI對策離不開(kāi)屏蔽（Shielding),濾波（Filter),接地（Grounding)﹐對于接地往往一塊電路板多已固定﹐而無(wú)法再做處理﹐因為這一部份在電路板布線(xiàn)（Layout)時(shí)就須仔細考慮﹐若板子已完成則此時(shí)可變動(dòng)的空間就非常小﹐一般方式僅能找出噪聲小的接地處用較粗的地線(xiàn)連接﹐減低共模（Common mode)噪聲。

      屏蔽所牽涉的材質(zhì)與花費亦甚高﹐濾波的方式則是?？梢?jiàn)Bead電感等﹐往往用了一大堆亦不甚見(jiàn)效﹐何以如此﹐許多時(shí)候是我們沒(méi)有解決其輻射的天線(xiàn)效應。一般而言﹐噪聲的能量并不會(huì )因加一些對策組件便消失﹐也就是能量不減﹐ 我們所要做的工作是如何避免噪聲輻射到空間（輻射測試）或由電源傳出（傳導測試）。

在此我們整理了產(chǎn)生輻射常見(jiàn)的幾種情形供讀者參考：
（1）機器外部連接之電纜成為輻射天線(xiàn)
  由于機器本身外部所連接的電纜成為天線(xiàn)效應﹐將噪聲輻射到空間﹐此時(shí)噪聲的大小和電纜的長(cháng)度有關(guān)﹐因電纜的天線(xiàn)效應相對于噪聲半波長(cháng)時(shí)共振情形會(huì )大﹐也往往是造成EMI無(wú)法通過(guò)測試。在解決這個(gè)問(wèn)題前必須要做一些判斷﹐否則很容易疏忽而浪費時(shí)間。

（a）噪聲是由機器內部電路板或接地所產(chǎn)生
此情形為將電纜取下﹐或加一Core則噪聲減低或消失。此時(shí)必須做的一個(gè)步驟是將線(xiàn)靠近機器（不須直接連接）看噪聲是否會(huì )存在﹐若噪聲并沒(méi)有升高﹐則可確實(shí)判定由機器內部產(chǎn)生﹐若將電纜靠近而干擾噪聲馬上升高﹐由此時(shí)請參考（b）的說(shuō)明。
（b）噪聲是由機器內部藕合到電纜線(xiàn)上﹐而使電纜成為輻射天線(xiàn)。

這一點(diǎn)是許多測試工程師容易忽略的。此情形如（a）中所提到的﹐只要將一條電纜靠近﹐則可從頻譜上看到噪聲立刻升高﹐此表示噪聲已不單純是由線(xiàn)上所輻射出﹐而是機器本身的噪聲能量相當大﹐一旦有天線(xiàn)靠近則立刻會(huì )藕合至天線(xiàn)而輻射出來(lái)。在實(shí)際測試中﹐我們發(fā)現許多通訊產(chǎn)品有這類(lèi)情形發(fā)生﹐此時(shí)若單純用Core或Bead去處理﹐并不能真正的解決問(wèn)題。

（2）機器內部的引線(xiàn)﹐連接線(xiàn)成為輻射天線(xiàn)
   由于許多產(chǎn)品內部常有一些電線(xiàn)彼此連接工作廳﹐當這些線(xiàn)靠近噪聲源很容易成為天線(xiàn)﹐將噪聲輻射出去。針對此點(diǎn)的判斷﹐在200MHz以下之噪聲﹐我們可以在線(xiàn)上加一Core來(lái)判斷噪聲是否減低﹐而對于200MHz以上之高頻噪聲﹐我們可以將線(xiàn)的位置做前后左右的移動(dòng)﹐看噪聲是否會(huì )增大或減小。

（3）電路板上的布線(xiàn)成為輻射天線(xiàn)
  由于走線(xiàn)太長(cháng)或靠近噪聲源而本身被藕合成為發(fā)射天線(xiàn)﹐此種情形當外部電纜都取下﹐而僅剩電路板時(shí)﹐在頻譜儀上可看見(jiàn)噪聲依然存在﹐此時(shí)可用探棒測量電路板噪聲強的地方﹐找到輻射的問(wèn)題加以解決。關(guān)于探測的工具及方法﹐將于后詳細說(shuō)明。

 （4）電路 板上的組件成為輻射來(lái)源
 由于所使用的IC或CPU本身在運作時(shí)產(chǎn)生很大的輻射﹐使得EMI測試無(wú)法通過(guò)﹐卵石種情往往在經(jīng)過(guò)（1）﹑（2）﹑（3）的分析后噪聲依然存在﹐通常解決的方法不外換一個(gè)類(lèi)似的組件﹐看EMI特性是否會(huì )好一些。另外就是電路板重新布線(xiàn)時(shí)﹐將其擺放于影響小的位置﹐也就是附近沒(méi)有I/O Port及連接線(xiàn)等經(jīng)過(guò)﹐當然若情況允許﹐將整個(gè)組件用金屬外殼包覆（Shielding)也是一種快速有效的方法。

由以上的分析介紹我們可以了解﹐造成電磁干擾輻射關(guān)鍵的地方就是電線(xiàn)的問(wèn)題﹐當有了適當的天線(xiàn)條件存在很容易就產(chǎn)生干擾﹐另外電源線(xiàn)往往亦是造成天線(xiàn)效應的主因 ﹐這是在許EMI對策中容易疏忽的。