EMC測試設計及排查技術课件

EMC測試、設計及排查技術

〔四〕內容一、電磁相容測試標準及要求二、電磁相容設計技術三、電磁干擾【EMI】排查技術四、電磁敏感性【EMS】排查技術主讲：沈学其ComplianceDirectionSystemsInc.電磁敏感性【EMS】排查技術抗干擾設計的需求抗干擾調試須知連續波抗干擾突發信號抗干擾抗干擾調試的需求提高產品穩定性，能適應各種電磁環境，並能在大型系統內穩定地和其他設備協調工作。干擾EUT的途徑：電源線空間電磁環境設備間的互連電纜通過電磁相容抗擾度測試容向系統公司針對各類需求，提供相應解決方案抗干擾設計GB/TIEC/EN標準名稱調試設備17626.261000-4-2靜電放電抗擾性試驗E117626.361000-4-3輻射（射頻）電磁場抗擾性試驗EMSCAN17626.461000-4-4快速瞬變電脈衝群抗擾性試驗E1+P117626.561000-4-5浪湧（衝擊）抗擾性試驗E117626.661000-4-6射頻場感應的傳導騷擾抗擾性試驗EMSCAN電磁敏感性【EMS】排查技術抗干擾設計的需求抗干擾調試須知連續波抗干擾突發信號抗干擾對環境和人身的影響傳導敏感度：通過電源線影響電源網路通過地線影響周圍空間電磁環境對人體健康的影響空間敏感度：傳統手段，必須在暗室或者遮罩室內進行空間輻射會影響人身健康【不能進入EUT區域】通過EUT干擾電源網路和地網路監視EUT工作狀態“敏感〞EUT出現“敏感〞現象，是指EUT遭到外界或內部干擾後，出現了非預期的結果，例如：損壞——關鍵電路被干擾擊穿重定——軟體“走飛〞，看門狗電路引起啟動死機——軟體“走飛〞，EUT停止工作誤碼——資料傳輸錯誤資料重傳——傳輸出錯，軟體進行糾正誤動作——觸發信號遭到干擾顯示器顯示不穩定【同步信號遭到干擾】聲音出現雜音【音頻電路遭到干擾】……..即時監視EUT工作狀態在抗干擾測試時，盡可能快地明確地發現EUT內的功能故障，是非常重要和關鍵的。外部觀察時，干擾經常是不可見的，或者過一段時間才能發現。例如，EUT裏的處理機，已經死機了，但是顯示的還是正常的狀態，甚至顯示器上顯示的也是正常的資訊。不能及時發現的話：可能是EUT損壞無法分析故障原因，也無法定位故障位置監視EUT工作狀態EUT上增加專門的調試硬體和/或軟體關鍵狀態信號上加LED軟體定期點亮某個LED軟體進入某個狀態點亮某個LED【例如資料重傳糾錯，點亮一個LED】用特殊裝置，監視關鍵信號線的狀態RESET,CS,看門狗電路的清零信號等用特殊裝置，監視匯流排狀態臨界狀態在臨界點上進行調試工作，最有效找臨界點：出現敏感後，降低干擾強度不敏感，再逐步增加干擾強度再次敏感，再“一點點〞地降低干擾強度，直到不出現敏感為止電磁敏感性【EMS】排查技術抗干擾設計的需求抗干擾調試須知連續波抗干擾突發信號抗干擾〔連續波〕傳導敏感度調試軍標測試GJB151A/152ARS101【磁場輻射敏感度】CS114【電纜束注入傳導敏感度】CS116【電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度】民品標準：IEC61000-4-6汽車行業標準：ISO11452-4【BCI測試法】飛行器測試：DO160D〔連續波〕傳導敏感度調試工具信號發生器信號源＋放大器：產生相應的電信號電流注入鉗：向電纜注入EMI，調試傳導抗干擾EMSCAN：定位干擾及諧波的傳播途徑信號源＋放大器CS114/IEC61000-4-6案例——傳導敏感度調試看清向EUT注入的RF信號在PCB上的分佈看清注入的RF信號如何影響敏感電路評估電路修改的有效性電源線注入信號線注入案例——傳導敏感度調試860M空間分佈敏感度——主要來自電纜90％以上的敏感度問題，均來自電纜絕大局部EMS問題，可以通過傳導敏感度問題進行調試設備配置：EMSCAN＋CS114【10kHz－400MHz】EMSCAN＋信號源＋放大器頻率範圍可達10kHz－2GHz信號源和放大器的頻率範圍越大，解決問題越多〔連續波〕電磁場敏感度調試軍標測試GJB151A/152ARS101【磁場輻射敏感度】RS103【電場輻射敏感度】民品測試抗空間輻射：EN61000-4-3〔連續波〕輻射敏感度調試工具GTEM法：無法進行調試【設計人員和工具無法進入GTEM】暗室法：很難進行調試設計人員不能進入暗室近場測量設備對強干擾“敏感〞設計工具需要具備很強的抗干擾能力調試方案：採用BCI法，對EUT內部電纜注入RF信號採用近場探頭，向EUT的PCB注入RF信號〔連續波〕輻射敏感度調試工具信號發生器信號源＋放大器：產生連續波電信號，模擬電磁干擾近場探頭：變電信號為電磁場信號EMSCAN：定位“敏感〞位置及傳播途徑信號源＋放大器經濟有效的EMS解決方案EMSCAN+電流注入法信號源IFR2023A：9kHz－1.2GHz功率放大器FLH30：30MHz－1GHz，30瓦電流注入鉗ICP-523：300kHz－1GHz電流探頭BCP-521：1MHz－1GHz近場探頭組RF2：30MHz－3GHzEMSCAN電磁干擾掃描系統小型的電流注入鉗和電流探頭，能對設備內部電纜進行抗干擾測試，解決IEC61000-4-3和IEC61000-4-6問題電磁敏感性【EMS】排查技術抗干擾設計的需求抗干擾調試須知連續波抗干擾突發信號抗干擾突發干擾的測量問題突發干擾：頻譜豐富，難於測量金屬線連接的探頭會影響測量結果無擾測量：探頭必須與大地隔離突發干擾的干擾機理不同的電子模組有不同的抗干擾特性，取決於其PCB設計和IC的敏感度。薄弱點，對突發干擾敏感的位置，能被精確定位。薄弱點的形成，很大程度上取決於GND/VCC的形狀以及IC的類型和製造商。干擾脈衝電流〔I〕通過導體或者電容滲透到電子模組內。由干擾電流引起模組外表上輻射出來的電場干擾〔電場強度E〕或者磁場干擾〔磁場強度B〕。磁脈衝場〔B〕或電脈衝場〔E〕是影響扁平模組【PCB】的最主要的根本的元素。干擾機理一般來說，薄弱點要麼僅對磁場敏感，要麼僅對電場敏感。實際上，兩種類型的薄弱點是相關的。例如，如果存在電場干擾，影響了電場薄弱點，由這個電場驅動產生的電流，形成磁場，然後影響磁場薄弱點。兩種機制的干擾相互影響，難於區分。不同的薄弱點，需要不同的測量方法，因為他們產生的物理機制不同。干擾機理一般情況下，一個模組上只會存在少量的抗干擾薄弱點，而且每個薄弱點也會被限制在很小的區域。在把這些薄弱點找出來，並採取適當的手段後，模組就能抵抗干擾了。在模組外表或設備內部的脈衝群磁場輻射，需要採用特殊的磁場探頭進行測量。採用EMC感測器，參考干擾極限值可以被模型化，並能捕捉邏輯信號被干擾的情況。干擾機理干擾電流〔I〕通過輸入電纜被注入到設備內部。由於旁路電容〔C〕的存在，一局部電流〔IA〕離開了被測物，內部的干擾電流〔Ii〕被減少了。圖中所示的磁場B會影響它周圍幾十釐米的電子模組。B場注入到模組上，不會到處都有影響，一般情況下，只會有很小的區域會是敏感的。旁路電容C干擾機理需要注意，磁場不僅僅由電纜上干擾電流〔I〕以及排狀電纜上的電流產生，旁路電容〔C〕的電流路徑以及內部GND和VCC上的電流，會擴大干擾範圍。帶有干擾電流的導線【例如電源線】產生電脈衝場〔E〕，主要影響高阻抗佈線。旁路電容C抗干擾調試工作環境穩壓電源〔電源濾波器〕干擾源LISN〔可選〕LNPE遮罩室EUT測量設備木質工作臺接地參考板突發干擾測量的核心方法——脈衝率法脈衝率測試法需要使用SGZ21發生器和感測器。採用脈衝率測試法，能對EUT的抗干擾能力進行快速的相對性測試，並能快速評估設計修改的有效性。計數器值越大，電壓u越小，電路越靈敏【很小的電壓就能讓這個信號受到干擾】Langer系統——信號源包含在E1內SGZ21輸出最大電壓：1.5kV輸出突發干擾：2/10ns帶有光纖輸入的6位元計數器輸出隔離SGZ21輸出信號單脈衝形狀上升沿：2ns下降沿：10ns幅度：0－1.5kV脈衝群脈衝間隔：1ms幅度：0－1.5kV，連續變化，平均分佈脈衝率測試法——測試EUT抗干擾能力接收器S31：監視關鍵信號線，直接連接在信號線上計數器值的意義【例如S31監視RESET】計數器值越大【例如800】，表示很低的電壓【例如300V】就能干擾這個信號計數器值越小【例如20】，表示很高的電壓【例如1200V】才能干擾這個信號設計修改後，計數器值變小了，表示提高了RESET信號的抗干擾能力了【抗干擾能力由300V提高到了1200V。適合於評估電路修改/濾波的有效性。抗干擾能力測試光纖輸入計數器＋S31感測器監視關鍵信號線受干擾的情況；監視EUT工作狀態抗干擾能力測試＃2OSE光纖化信號獲取套件【數位】：連接示波器，觀察EUT內部關鍵信號線數位化觀察信號線受干擾的情況：干擾大於感測器門限值，就輸出一個寬脈衝抗干擾能力測試＃3A50/A100光纖化探頭組【模擬】觀察EUT內部信號線/電源線/GND的受干擾情況類比化觀察所連接信號線的受干擾情況，可以連接到頻譜分析儀或者示波器脈衝率測試法——測試磁場強度接收器：瞬態磁場探頭收到磁場脈衝，就發出一個光脈衝移動探頭，看計數器值，找出干擾電流方向計數器值的意義大：表示傳播到這個區域內的干擾磁場強小：表示傳播到這個區域內的干擾磁場強度弱改進了遮罩或者接地後，計數器值變小了，表示傳播到這個區域的磁場變少了。適合於評估遮罩/接地的效果瞬態磁場強度測試光纖輸入計數器＋瞬態磁場探頭跟蹤磁力線方向，找到干擾電流路徑瞬態磁場探頭MS02功能探測磁場強度計數器值反應磁場強度【脈衝率法】探測磁場方向，發現干擾電流方向僅能收到穿過探頭環的磁力線，旋轉探頭找到最大計數值，探頭環平面垂直方向就是磁力線方向。磁力線垂直方向就是電流方向干擾電流磁力線MS02光纖SGZ21計數器測量電纜上瞬態磁場情況BD系列脈衝群探測器觀察EUT內部和外部電纜受干擾的情況數位化觀察電纜受干擾的情況：干擾大於感測器門限值，就輸出一個寬脈衝。可直接連接到SGZ21；或由光接收器轉換為電信號，連接到示波器抗干擾調試流程發現故障分析故障原因按模組定位在模組上找到:干擾電流路徑敏感點性質【磁場/電場】模組上精確定位評估設計修改發現故障並觀察和記錄發現故障：採用Burst發生器和/或靜電槍進行標準的測試用戶的反映【必須自己去觀察到故障或在實驗室再現】故障分析：干擾信號是如何【即採用哪條路徑】耦合到EUT內部的；出現的故障類型。記錄EUT在受到干擾後的行為資訊，例如：在多大電壓時功能開始出現故障？功能故障是立即出現的，還是過一段時間才會出現？每次測量時出現的故障是完全相同的，還是是有差別的？什麼樣的調整會產生變化，例如調整電纜位置等？出現其他類型的故障時，的故障是否會頻率降低？抗干擾調試流程發現故障分析故障原因按模組定位在模組上找到:干擾電流路徑敏感點性質【磁場/電場】模組上精確定位評估設計修改分析故障原因干擾來源：空間電磁場耦合到EUT電纜【電源/信號線】PCB內的佈線或者EUT內部的電纜成為天線干擾機理主要局部會流入低阻抗的電源系統。干擾電流通過直接的連接進入GND系統，再由線路耦合出來——磁場形式干擾電流也能通過直接連接進入GND系統，再由附近的金屬物體【機箱】，通過容性方式耦合出來——電場場束測量的目的再現標準抗干擾測試時的功能故障確認和評估干擾被耦合入和耦合出的路徑。抗干擾調試流程發現故障分析故障原因按模組定位在模組上找到:干擾電流路徑敏感點性質【磁場/電場】模組上精確定位評估設計修改定位到模組級實施步驟：再現EUT功能故障分塊分段故障定位：檢查EUT的各個模組，例如電纜、大模組的小區域等。取EUT的一個模組或者一局部電路對該模組的GND直接注入干擾定位故障到模組/單板/單元電路抗干擾調試流程發現故障分析故障原因按模組定位在模組上找到:敏感點性質【磁場/電場】干擾電流路徑模組上精確定位評估設計修改定位敏感模組及性質兩極連接方式注入干擾判斷是否是磁場方式【一端入，一端出，導體連接】定位敏感模組及性質如果多層板，外表找不到地層，則在佈線空曠區域磨出地層，進行直接連接直接接到地線上對電纜纏一圈銅皮，夾子夾到銅皮上，容性耦合【容值nF以上】定位敏感模組及性質單極連接方式判斷是否是電場方式【一端入，另一端從機箱等金屬出來，可以用電場場源類比金屬】另一端電場耦合到電纜另一端電場耦合到金屬面定位敏感性質單極連接期間出現功能故障，可能是：電場：直接由EUT和場源探頭間引起的故障；磁場：流入電場的電流產生磁場，磁場被耦合到信號環路上，導致出現故障。區分辦法：在EUT的GND和附近的金屬物體之間建立一個很短的低阻抗的連接，從而消除電場的影響，如果不再出現那個的功能故障，則就說明，那個的功能故障是由電場引起的。否則，這個故障可能是磁場引起的，或者更複雜。定位干擾電流路徑用MS02或者SetS2測量測量EUT內部突發磁場指出干擾電流的流向。評估各個模組內部以及模組之間的干擾，能評估針對EMC測量所做的電路修改的有效性。能告訴你以下問題的答案：EUT內哪里存在磁場？EUT內部的干擾電流是怎麼流的？干擾電流有沒有流入IC的輸入和輸出？旁路電容有什麼影響，應該採用多大容值的電容？遮罩連接的長度是如何影響旁路電流的？瞬態磁場探頭MS02流過EUT的干擾電流會產生磁場。通過磁場的強度和方向等資訊能提供干擾電流的分佈情況。MS02是一個無源探頭，無需額外能量，通過光纖連接到SGZ21輸入。檢測到磁場脈衝，MS02就會發出一個光脈衝。光脈衝的數量，可在SGZ21計數器上讀到，計數值和測量到的平均磁場強度成一定的比例。用MS02測量磁場強度：計數器值反應磁場強度探測磁場/電流方向：旋轉探頭找到最大計數值用“S2瞬態磁場探頭組〞測量MSA02有源探頭05R探針05U探針05K探針MS101無源探頭MS102U無源探頭MSA02有源探頭帶3個探針MSA-05RMSA-05UMSA-05KMSA02的使用靈敏度調節首先設定靈敏度【強度】在所需要測量的區域，找出一個設置，讓SGZ21計數器上的值控制在10－2000之間【每秒脈衝數】固定靈敏度設置通過計數器值來測量磁場強度計數器值大，則磁場強度大計數器值小，則磁場強度小MSA02-MSA05R探針白色探針測量模組外表上磁場的空間分佈。測量IC附近磁脈衝場的相對強度和方向。在由場源組發現的薄弱點處，可以使用05R進行跟蹤測量。在實際的干擾被注入時，處於臨界狀態的薄弱點處能測量到干擾磁場的存在。MSA05R：測量IC附近的磁場測量IC附近的磁脈衝場的強度和空間方向。MSA05R：測量模組外表的磁場測量模組外表的磁脈衝場的空間分佈MSA02-MSA05U探針橙色探針可以測量SMD電容等元件的外表場。測量干擾電流傳播時，探針頂部的凹槽放置到被測信號線上。能測量到導體產生的環形磁場，也能測量到外表場MSA05U：測量薄的導體和外表區域MSA02-MSA05K探針黑色探針選擇性地測量導體，能測量出導體周圍的環形磁場，不會收到外表場MSA05K：測量電流傳播路徑測量干擾電流路徑MSA05K：測量單根信號線測量接插件上的一根插針測量扁平電纜內的一根信號線MS101無源探頭測量空間場分佈類似於MS02，但是面積比MS02大適合粗查MS01：測量空間磁場測量設備的內部和外部區域的干擾場空間分佈，也能測量處於臨界條件時薄弱點位置的場強。MS102U無源探頭測量外表場A和導體場/電流B外表場是在電纜、電容、金屬體等的元件的外表的磁場探頭的凹槽放在導體上或者元件面上，測量的是相應的電流MS102U：測量導體電流測量時，需要把探頭的凹槽放在被測導體上抗干擾調試流程發現故障分析故障原因按模組定位在模組上找到:干擾電流路徑敏感點性質【磁場/電場】模組上精確定位評估設計修改用場源進行精確定位用干擾電流路徑分析法，定位到模組後，再用場源，在模組內進行精確定位用場源進行精確定位一般功能故障是由干擾電流引起的磁場或者電場【由場束耦合】引起的。為了精確定位干擾位置，採用場源探頭向EUT的小區域內注入干擾信號。場源的選擇：如果干擾電流通過線路傳導流入和流出EUT時，出現功能故障，就可以使用磁場場源來進行故障定位。如果是由於場束耦合引起的功能故障，則採用E場場源進行定位。用場源進行精確定位選擇場源——依據“干擾電流路徑分析〞得出的結論【磁場/電場】選擇位置——依據“干擾電流路徑分析〞，沿著干擾電流方向的路徑選擇解析度——由大面積到小面積選擇強度——探頭由遠到近，慢慢靠近EUT場源探頭連接SGZ21，產生磁場或者電場精確定位敏感點位置磁場場源探頭磁場束【大區域/小區域】磁場環【單根導線】電場場源探頭面積場【大/中/小】線形場磁場場源探頭BS02：截面直徑大於5cm的B場束。BS04DB：截面直徑小於3毫米BS05D：直徑3毫米的磁場束BS05DU：產生一個毫米級的環狀脈衝磁場BS04DK：功能類似於BS05DU磁場場源：BS02產生截面直徑大於5cm的B場束。用於檢查器件和電路模組的敏感性。由於覆蓋面較大，能向機箱外表、內部區域、互連電纜、相互連接的模組間、多個相互連接的IC等，施加干擾，從而粗略定位敏感部位磁場場源：BS04DB這個磁場源發出截面直徑約3mm的B場束。用探頭頂部形成的小面積磁場束對PCB板進行掃描，便於排查佈線引起的磁場敏感部位。可以定位出關鍵的佈線，器件，以及器件間的連接等。磁場場源：BS05D產生直徑約3毫米的磁場束，類似於BS04DB。不過它產生的磁力線和探頭呈90度。所以這個探頭特別適合於放置到難於放進普通探頭的地方。實際應用時，一般先用BS02或BS04DB進行粗略定位後，用它進行精確定位。磁場場源：BS05DU產生一個毫米級的環狀脈衝磁場。可當作一個迷你耦合鉗使用，把干擾電流有選擇性地耦合到佈線、IC引腳、SMD元件以及細線〔扁平電纜中的某根線〕。一般情況下，EUT內大局部佈線和引腳並不是敏感的，只有少數幾個會敏感，所以使用該探頭能快速定位敏感的佈線或者引腳，然後重新佈線以解決問題。磁場場源：BS04DK磁場源探頭，功能類似於BS05DU。可以把這個探頭放在電纜、導線、大元件和寬導線上，注入干擾電流。探頭產生的環形脈衝磁場包圍了被測物體，所以將產生一個感應的干擾電流