Solución de problemas EMI - paso a paso | Holland Shielding Systems BV

Solución de problemas EMI, paso a paso

En este artículo describiremos los pasos que usualmente tomamos para solucionar los cuatro problemas principales del EMI, las emisiones conducidas, las emisiones radiadas, la inmunidad radiada y la descarga electrostática. De éstos, los tres últimos son los temas más frecuentes, con las emisiones radiadas típicamente siendo el fracaso número uno. Si su producto o sistema (EUT) tiene potencia adecuada y filtro de puertos de E / S, las emisiones conducidas y las otras pruebas de inmunidad relacionadas con la línea de alimentación no suelen ser un problema.

Para su conveniencia, hemos desarrollado una lista de equipos recomendados útiles para solucionar problemas de EMI. El enlace de descarga aparece en la Referencia 1.

Emisiones conducidas

Esto no suele ser un problema dado el adecuado filtrado de línea de alimentación, sin embargo, muchas fuentes de alimentación de bajo costo carecen de buen filtrado. Algunas marcas "sin nombre" no tienen filtrado en absoluto! La prueba de emisiones conducida es fácil de ejecutar, así que aquí tienes.

Configure su analizador de espectro de la siguiente manera:

1. Frecuencia de 150 kHz a 30 MHz
2. Ancho de banda de resolución = 10 ó 9 kHz
3. Preamp = Apagado
4. Ajuste el nivel de referencia para que aparezcan los armónicos más altos y la escala vertical esté en incrementos de 10 dB
5. Utilice la detección media inicial y la detección CISPR en cualquier pico posterior
6. Atenuación interna - Comience con 20 a 30 dB al principio y ajuste para la mejor visualización y sin sobrecarga del analizador.
7. Ajuste las unidades verticales en dBμV

También nos gusta establecer la escala horizontal de lineal a log, por lo que las frecuencias son más fáciles de leer.

Obtenga una Red de Estabilización de Impedancia de Línea (LISN) y colóquela entre el producto o sistema bajo prueba y el analizador de espectro. Tenga en cuenta la secuencia de conexión a continuación!

PRECAUCIÓN : A menudo es importante encender el EUT antes de conectar el LISN al analizador. Esto se debe a que pueden producirse grandes transitorios al encender y pueden destruir potencialmente la etapa de entrada sensible del analizador. Tenga en cuenta que el TekBox LISN tiene protección transitoria incorporada. No todos lo hacen ... ¡han sido advertidos!

Encienda el EUT y luego conecte el puerto de salida de 50 ohmios del LISN al analizador. Obsérvese que los armónicos suelen ser muy altos en las frecuencias bajas y disminuyen hacia 30 MHz. Asegúrese de que estos armónicos superiores no superen el analizador. Añada atenuación interna adicional, si es necesario.

Comparando el promedio de picos detectados con los límites CISPR apropiados, usted podrá saber si el EUT está pasando o fallando antes de las pruebas formales de cumplimiento.

Transmisores Ambientales

Uno de los problemas a los que se enfrentará de forma inmediata es que al realizar pruebas fuera de una cámara blindada o semi-anecóica, es el número de señales ambientales procedentes de fuentes como transmisores de emisión FM y TV, teléfono celular y radio bidireccional. Esto es especialmente un problema cuando se utilizan sondas de corriente o antenas externas. Por lo general, ejecutar un gráfico de línea de base en el analizador utilizando el modo "Max Hold" para construir una trama de ambiente compuesto. Luego, activaré trazas adicionales para las mediciones reales. Por ejemplo, a menudo tengo tres tramas o huellas en la pantalla; la línea de base ambiental, la parcela "anterior" y la parcela "posterior" con alguna corrección aplicada.

A menudo, es más fácil reducir el alcance de frecuencia en el analizador de espectro hasta cero en un armónico particular, eliminando así la mayoría de las señales ambientales. Si el armónico es onda continua de banda estrecha (CW), entonces reducir el ancho de banda de resolución (RBW) también puede ayudar a separar los armónicos EUT de ambientes cercanos. Sólo asegúrese de reducir el RBW no reduce la amplitud armónica.

Otra precaución es que los transmisores cercanos fuertes pueden afectar la precisión de amplitud de las señales medidas, así como crear productos de mezcla que parecen ser armónicos, pero son realmente combinaciones de la frecuencia del transmisor y del circuito del mezclador en el analizador. Es posible que necesite utilizar un filtro de paso de banda externo en la frecuencia armónica deseada para reducir el efecto del transmisor externo. Aunque es más caro, un receptor EMI con preselección sintonizada sería más útil que un analizador de espectro normal en entornos de alta RF. Keysight Technologies y Rohde & Schwarz serían los proveedores a considerar. Todas estas técnicas se describen con más detalle en la Referencia 3.

Emisiones radiadas

Esta es normalmente la prueba de riesgo más alto. Configure su analizador de espectro de la siguiente manera:

1. Frecuencia de 10 a 500 MHz
2. Ancho de banda de resolución = 100 o 120 kHz
3. Preamp = On (o utilice un preamplificador externo de 20 dB si el analizador no lo tiene)
4. Ajuste el nivel de referencia para que aparezcan los armónicos más altos y la escala vertical esté en incrementos de 10 dB
5. Utilice detección de pico positivo
6. Ajuste la atenuación interna = cero

A veces prefiero establecer las unidades verticales desde el dBm predeterminado a dBμV, por lo que los números mostrados son positivos. Esta es también la misma unidad utilizada en los límites de prueba de las normas. También me gusta establecer la escala horizontal de lineal a registro, por lo que las frecuencias son más fáciles de leer.

Realizo mi exploración inicial hasta 500 MHz, porque esta es generalmente la banda de peor caso para los armónicos digitales. Usted querrá también registrar las emisiones por lo menos hasta 1GHz (o superior) para caracterizar cualquier otra emisión dominante. En términos generales, la resolución de los armónicos de baja frecuencia también reducirá los armónicos más altos.

Prueba de campo cercano

La mayoría de los kits de sondas de campo cercano vienen con sondas de campo E y H. La determinación de las sondas de campo H o campo E depende de si las corrientes de sondeo son di / dt alto (circuitos, cables, etc.) o altas tensiones - que EMI es, dV / dt - ( fuentes de alimentación de conmutación, etc.) respectivamente. Ambos son útiles para localizar costuras con fugas o huecos en recintos blindados.

Comience con la sonda de campo H más grande (figura 1) y olfatee alrededor de la carcasa del producto, de la (s) tarjeta (s) de circuito y de los cables conectados. El objetivo es identificar las principales fuentes de ruido y las frecuencias específicas de banda estrecha y banda ancha. Documentar las ubicaciones y frecuencias dominantes observadas. A medida que zanja en las fuentes, es posible que desee cambiar a más pequeño de diámetro de campo H sondas, que ofrecerá una mayor resolución (pero menos sensibilidad).

Figura 2. Las sondas de campo H ofrecen la mejor sensibilidad cuando están orientadas en relación con el trazado del circuito o el cable, como se muestra. Figura, cortesía de Patrick André.

Recuerde que no todas las fuentes de energía de alta frecuencia que se encuentran en la placa realmente se irradian! La radiación requiere algún tipo de acoplamiento a una estructura "similar a una antena", tal como un cable de E / S, cable de alimentación o costura en el recinto blindado.

Comparar las frecuencias armónicas con osciladores de reloj conocidos u otras fuentes de alta frecuencia. Esto ayudará a usar la Calculadora de Oscilador de Reloj, desarrollada por mi co-autor, Patrick André. Consulte el enlace de descarga en la Referencia 2.

Cuando aplique correcciones potenciales en el nivel de placa, asegúrese de colocar la sonda de campo cercano para reducir la variación que experimentará en la ubicación física de la punta de la sonda. Recuerde, estamos interesados principalmente en los cambios relativos a medida que aplicamos los arreglos.

Además, las sondas de campo H son las más sensibles (acoplarán el flujo más magnético) cuando su plano esté orientado en paralelo con la traza o el cable. También es mejor colocar la sonda a 90 grados en el plano de la placa de circuito impreso. Vea la Figura 2.

Sonda de corriente A continuación, mida las corrientes de cable de modo común conectadas (incluidos los cables de alimentación) con una sonda de corriente de alta frecuencia, como el modelo de comunicaciones personalizadas Fischer F-33-1 o equivalente (Figura 3). Documente las posiciones de los varios armónicos superiores y compare con la lista determinada por el sondeo de campo cercano. Éstos serán los más probables irradiar realmente y causar fallas de la prueba, porque están fluyendo en estructuras similares a antena (cables). Utilice el diagrama de calibración suministrado por el fabricante de la impedancia de transferencia para calcular la corriente real en una frecuencia particular. Tenga en cuenta que sólo toma de 5 a 8 μA de corriente de alta frecuencia para fallar los límites de prueba FCC o CISPR.

figura 3 — Figura 3. Uso de una sonda de corriente para medir las corrientes de alta frecuencia que fluyen en los cables de E / S y de alimentación.

Es una buena idea deslizar la sonda actual hacia adelante y hacia atrás para maximizar los armónicos. Esto se debe a que algunas frecuencias resonarán en diferentes lugares, debido a las ondas estacionarias en el cable.

También es posible predecir el campo E irradiado (V / m) dada la corriente que fluye en un alambre o cable, con la suposición de que la longitud es eléctricamente corta en la frecuencia de preocupación. Esto se ha demostrado para ser exacto para los cables largos de 1m hasta 200 megaciclos. Consulte la Referencia 3 para obtener más detalles.

Nota sobre el uso de antenas externas

Tenga en cuenta que hay dos objetivos distintos al utilizar antenas EMI externas;

1. Solución de problemas relativos, donde se conocen áreas de frecuencias que fallan y necesitan reducir sus amplitudes. No se requiere una antena calibrada, ya que sólo son importantes los cambios relativos. Lo importante es que ese contenido armónico de la EUT debe ser fácilmente visible.
2. Pruebas de pre-cumplimiento, donde desea duplicar la configuración de prueba utilizada por el laboratorio de pruebas de cumplimiento. Es decir, establecer una antena calibrada a 3m o 10m del producto o sistema bajo prueba y determinar de antemano si está pasando o fallando.

Pruebas Previas al Cumplimiento de Emisiones Radiadas

Si desea establecer una prueba de pre-cumplimiento, (nº 2 anterior), a continuación, con una antena EMI calibrada a 3m o 10m del EUT, puede calcular el campo E (dBμV / m) registrando el dBμV lectura del analizador de espectro y factorización en la pérdida coaxial, ganancia externa del preamplificador (si se utiliza), cualquier atenuador externo (si se utiliza) y factor de antena (de la calibración de la antena proporcionada por el fabricante). Este cálculo se puede comparar directamente con los límites de prueba de emisiones radiadas de 3m ó 10m usando la fórmula:

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

Para los propósitos de este artículo, me centraré principalmente en el procedimiento para la solución de problemas utilizando una antena estrechamente espaciada (# 1 anterior) para la caracterización general de los niveles de armónicos que se están irradiando y probando posibles correcciones. Por ejemplo, sabiendo que puede estar sobre el límite en 3 dB en alguna frecuencia armónica, su meta debe ser reducir esa emisión en 6 a 10 dB para un margen adecuado.

Solución de problemas con una antena estrecha

Una vez que el perfil armónico del producto está completamente caracterizado, es el momento de ver qué armónicos realmente irradian. Para ello, utilizamos una antena espaciada a una distancia mínima de 1m del producto o sistema bajo prueba para medir las emisiones reales (Figura 4). Típicamente, será una fuga de los cables conectados de E / S o de alimentación, así como fugas en el recinto blindado. Compare estos datos con los de las sondas de campo cercano y de corriente. ¿Puede usted ahora determinar la (s) fuente (s) probable (s) de las emisiones observadas?

Trate de determinar si la radiación del cable es la cuestión dominante al quitar los cables uno por uno. También puede intentar instalar una bobina de ferrita en uno o más cables como prueba. Utilice las sondas de campo cercano para determinar si también se producen fugas por las costuras o aberturas en el recinto blindado.

Una vez identificadas las fuentes de emisión, puede utilizar sus conocimientos de filtrado, puesta a tierra y blindaje para mitigar las emisiones problemáticas. Trate de determinar la trayectoria de acoplamiento desde el interior del producto a cualquier cable exterior. En algunos casos, puede ser necesario rediseñar la placa de circuitos optimizando la acumulación de capas o eliminando trazas de alta velocidad que atraviesan espacios en planos de retorno, etc. Observando los resultados en tiempo real con una antena espaciada a cierta distancia, fase debe ir rápidamente.

Problemas comunes

Hay una serie de áreas de diseño de productos que pueden causar emisiones radiadas:

1. Terminaciones de blindaje de cable deficiente es la cuestión principal
2. Protección contra productos con fugas
3. Acoplamiento de cables internos a costuras o áreas de E / S
4. Trazas de alta velocidad que atraviesan espacios en el plano de retorno
5. Capa de capa subóptima

Consulte las referencias para obtener detalles adicionales sobre problemas de diseño del sistema y del tablero de PC que pueden causar fallas de emisiones.

Inmunidad a los rayos

La mayoría de las pruebas de inmunidad radiada se realizan de 80 a 1000 MHz (o, en algunos casos, tan altas como 2,7 GHz). Los niveles de prueba comunes son 3 o 10 V / m. Los productos militares pueden ir tan alto como 50 a 200 V / m, dependiendo del ambiente operacional. El estándar comercial para la mayoría de los productos es IEC 61000-4-3, cuya configuración de prueba está muy involucrada. Sin embargo, utilizando algunas técnicas simples, puede identificar y resolver la mayoría de los problemas rápidamente.

Radio de mano Para la inmunidad radiada, generalmente empezamos fuera del EUT y usamos transmisores portátiles sin licencia, como los walkie-talkies del Servicio de Radio Familiar (FRS) (o equivalente) para determinar áreas de debilidad. Al mantener estos radios de baja potencia cerca del producto o sistema bajo prueba, a menudo se puede forzar un fallo (Figura 5).

Mantenga pulsado el botón de transmisión y ejecute la antena de radio en todo el EUT. Esto debe incluir todos los cables, costuras, puertos de visualización, etc.

Figura 5. Uso de un transmisor sin licencia para forzar un fallo.

Generador de RF

Es muy común que sólo ciertas bandas de frecuencia sean susceptibles ya veces las radios de mano de frecuencia fija no son efectivas. En ese caso, utilizo un generador de RF ajustable con una sonda de campo H de tamaño grande adjunta y sonda alrededor de frecuencias de fallo conocidas. También ayuda a sondear los cables internos y la tarjeta de PC para determinar las áreas de sensibilidad. Para productos más pequeños, como en la Figura 6, intente usar las sondas de campo H más pequeñas para obtener la mejor resolución física.

figura 6 — Figura 6. Uso de un generador de RF y una sonda de campo H para determinar las áreas de sensibilidad.

En lugar de los generadores RF de mayor calidad de laboratorio, también utilizo un sintetizador de RF controlado por USB más pequeño, como el Windfreak SynthNV (o equivalente) con la sonda de campo cercano. El SynthNV puede producir hasta +19 dBm de potencia de 34 MHz a 4,4 GHz, por lo que funciona bien. Esto también encaja en mi kit de solución de problemas EMI muy bien. Vea la Figura 7. Encontrará una lista de generadores recomendados en la Referencia 1.

figura 7 — Figura 7. Utilizando un pequeño generador de RF sintetizado para producir campos de RF intensos alrededor de la punta de la sonda

Descarga electrostática

Las pruebas de descarga electrostática se realizan mejor utilizando una configuración de prueba como se describe en la norma IEC 61000-4-2. Esto requiere una mesa de prueba y planos de tierra de ciertas dimensiones. El EUT se coloca en el centro de la mesa de prueba. Por lo general, sugiero que se reemplacen las baldosas con hojas de cobre o aluminio de 4 x 8 pies, que encajarán directamente en los espacios de las baldosas existentes (Figura 8). Las pruebas requieren un simulador ESD, que está disponible en varias fuentes. Vea la referencia 1. Utilizo el KeyZap de KeyTek más antiguo, que es relativamente pequeño y se puede ajustar a +/- 15 kV. Hay varios otros diseños adecuados (y más nuevos).

figura 8 — Figura 8. Configuración de prueba ESD según IEC 6100-4-2. Imagen, cortesía de Keith Armstrong.

La prueba de ESD es bastante compleja en cuanto a la identificación de los puntos de prueba, pero básicamente, hay dos pruebas: descarga de aire y descarga de contacto. Utilice la descarga de aire para todos los puntos donde un operador podría tocar el exterior del EUT. Use descarga de contacto para todo el metal expuesto donde un operador podría tocar y descargar en. Pruebe las polaridades positiva y negativa. La mayoría de las pruebas comerciales requieren una descarga de contacto de 4 kV y una descarga de aire de 8 kV.

La configuración de prueba también incluye planos de acoplamiento horizontal y vertical. Utilice la punta de descarga de contacto en los planos de acoplamiento. Estos planos necesitan una trayectoria de descarga de alta impedancia a la tierra. Consulte el estándar IEC para obtener detalles y procedimientos de prueba exactos.

figura 9 — Figura 9. Un simulador ESD típico con puntas de descarga de aire y contacto. Puede producir hasta +/- 15 kV.

Resumen

Al desarrollar su propio laboratorio de pruebas de resolución de problemas y pre-cumplimiento, ahorrará tiempo y dinero al mover el proceso de solución de problemas en casa, en lugar de programar el tiempo y los costes relacionados y los retrasos de programación dependiendo de los laboratorios comerciales.

La mayoría de las pruebas EMI de alto riesgo se realizan fácilmente con equipos de bajo costo. El ahorro de costos mediante la realización de la solución de problemas en su propia instalación puede montar hasta cientos de miles de dólares y semanas o meses de retrasos del producto.

Referencias

Lista recomendada de equipos de solución de problemas EMI - http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf

1. Calculadora del oscilador del reloj (Patrick André) - http://andreconsulting.com/Harmonics.xls
2. André y Wyatt, EMI Troubleshooting Cookbook para diseñadores de productos, SciTech, 2014.
3. Joffe y la cerradura, argumentos para aterrizar, Wiley, 2010
4. Ott, Ingeniería de Compatibilidad Electromagnética, Wiley, 2009
5. Mardiguian, EMI Troubleshooting Techniques, McGraw-Hill, 2000
6. Montrose, EMC Made Simple, Servicios de Cumplimiento de Montrose, 2014
7. Morrison, puesta a tierra y blindaje - circuitos e interferencia, Wiley, 2016
8. Williams, EMC para diseñadores de productos, Newnes, 2017

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