電磁干擾(EMI)問題診斷步驟（一）

電磁干擾的觀念與防制﹐在國內已逐漸受到重視。由于歐美各國多已實施電磁干擾的要求﹐加上數字產品的普遍使用﹐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系﹐經常遇到許多產品已完成成品設計﹐因無法通過EMI測試﹐而使設計工程師花費許多時間和精力投入EMI的修改﹐由于屬于事后的補救﹐往往投入許多時間與**﹐甚而影響了產品上市的時機。

1、EMI 設計要點

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

      控制信號回路的阻抗，主要的辦法是縮短信號的長度，減少回路的面積，其次是採取合理的端接，控制回路的反射。其實控制信號回路的一個簡單的辦法就是對重點信號進行包地處理（在兩邊近的距離走地線，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多次接過孔到地平面。我很多的設計都是在採用包地以后，避免了時鐘信號的輻射超標。

      另外就是要避免信號穿越被分割的區(qū)域，很多工程師信號對地進行分割，但有時候又忘記了，把線布過了這些區(qū)域，結果造成信號回路繞過很大的區(qū)域，無形中增加了佈線長度。

      對于EMI傳導的部分，重點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）一定要以短的連線佈置在晶片電源管腳和地線（平面）上。去藕電容要放在電流需求變化大的地方，避免因為走線的阻抗（電感），讓雜訊從電源和地線上藕合出去。當然，合理串聯使用磁珠，可以“吸收”（轉換成熱能）這些雜訊。電感有時也可以用來濾除雜訊，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，對于EMI設計來說，需要你真正瞭解你自己的設計，什麼地方需要重點照顧，什麼地方出了問題會是什麼樣的現象，備選方案是什麼，都需要預先整理好。


2.干擾正確的診斷

      要解決產品上的EMI問題﹐若能在產品設計之初便加以考慮﹐則可以節(jié)省事后再投入許多時間與**。由于目前EMI Design-in的觀念并不是十分普遍﹐而且由于事先的規(guī)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問題﹐對于設計工程師及EMI工程師是非常重要的。

      事實上﹐我們如果把EMI當做一種**﹐當然平時的預防保養(yǎng)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。故在EMI的問題上﹐常?？吹揭粋€EMI有問題的產品﹐由于未能找到造成EMI問題的關鍵﹐花了許多時間﹐下了許多對策﹐卻始終無法解決﹐其中亦不乏專業(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﹐然而沒有正確的診斷﹐而在產品上加了一大堆EMI抑制組件﹐其結果往往只會使EMI情況更糟。

      筆者起初接觸產品EMI對策修改時﹐會聽到**EMI工程師說把所有EMI對策拿掉﹐就可以通過測試。初聽以為是句玩笑話﹐如今回想這是很寶貴的經驗談。而后亦聽到許多EMI工程師談到類似的經驗。本文中將舉出實際的例子﹐讓讀者更加了解EMI的對策觀念。

      一般提到如何解決EMI問題﹐大多說是case by case,當然從對策上而言﹐每一個產品的特性及電路板布線（layout)情況不同﹐故無法用幾套方法而解決所有EMI的問題﹐但是長久以來﹐我們一直想要把處理EMI問題并做適當的對策﹐另外也提供專業(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(tǒng)的方式﹐快速的找出EMI的問題。我們并不淮備探討一些理論計算或公式推演﹐將從實務上說明。
     當一個產品無法通過EMI測試﹐首先就要有一個觀念﹐找出無法通過的問題點﹐此時千萬不能有主觀的念頭﹐要在那些地方下對策。常常有許多有經驗的EMI工程師﹐由于修改過許多相關產品﹐對于產品可能造成EMI問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﹐但是偶而也會遇到很難修改下來﹐后發(fā)現問題的關鍵都是起行認為不可能的地方﹐之所以會種疏失﹐就是由于太主觀了。因此﹐不論產品特性熟不熟﹐我們都要逐一再確認一次﹐甚而多次確認。這是因為造成EMI的問題往往是錯綜復雜﹐并非單一點所造成。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﹐并加以說明其關鍵點﹐這些步驟看來似乎非常平凡簡單﹐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﹐許多**EMI工程師在其對策處理時﹐大部份的時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問題的關鍵﹐才是解決EMI的佳途徑﹐若僅憑理論推測或經驗判斷﹐有時反而會花費更多的時間和精力。


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﹐并關掉EUT電源加以確認。
      由于EMI測試上﹐EUT必須轉360度而天線由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)現無法通過測試時﹐首先我們先將天線位置移到噪聲接收大高度﹐然后將桌子轉到差角度﹐此時我們知道在EUT面對天線的這一面輻射強﹐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電纜經過等。

      另外須注意的是要關掉EUT的電源﹐看噪聲是否存在﹐以確定噪聲確實是由EUT所產生。曾見測試Monitor一直無法解決某一點的干擾﹐結果其噪聲是由PC所造成而非Monitor的問題﹐亦有在OPEN SITE測試Monitor發(fā)現某幾點無法通過﹐由測試接收儀器的聲音判斷應是Monitor產生﹐結果關掉電源發(fā)現噪聲依然存在﹐所以關掉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將機板內的噪聲輻射出來。事實上﹐仔細分析造成EMI的關鍵﹐我們可以用一個很簡單的模式來表示。

      任何EMI的Source必須要有天線的存在﹐才能產生輻射的情形﹐若僅單獨存在噪聲源而沒有天線的條件﹐此輻射量是很小的﹐若將其連接到天線則由于天線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﹐重要的查破壞產生輻射的條件----天線。

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

      屏蔽所牽涉的材質與花費亦甚高﹐濾波的方式則是?？梢夿ead電感等﹐往往用了一大堆亦不甚見效﹐何以如此﹐許多時候是我們沒有解決其輻射的天線效應。一般而言﹐噪聲的能量并不會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）。

在此我們整理了產生輻射常見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
  由于機器本身外部所連接的電纜成為天線效應﹐將噪聲輻射到空間﹐此時噪聲的大小和電纜的長度有關﹐因電纜的天線效應相對于噪聲半波長時共振情形會大﹐也往往是造成EMI無法通過測試。在解決這個問題前必須要做一些判斷﹐否則很容易疏忽而浪費時間。

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

這一點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上所輻射出﹐而是機器本身的噪聲能量相當大﹐一旦有天線靠近則立刻會藕合至天線而輻射出來。在實際測試中﹐我們發(fā)現許多通訊產品有這類情形發(fā)生﹐此時若單純用Core或Bead去處理﹐并不能真正的解決問題。

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

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

 （4）電路 板上的組件成為輻射來源
 由于所使用的IC或CPU本身在運作時產生很大的輻射﹐使得EMI測試無法通過﹐卵石種情往往在經過（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類似的組件﹐看EMI特性是否會好一些。另外就是電路板重新布線時﹐將其擺放于影響小的位置﹐也就是附近沒有I/O Port及連接線等經過﹐當然若情況允許﹐將整個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鍵的地方就是電線的問題﹐當有了適當的天線條件存在很容易就產生干擾﹐另外電源線往往亦是造成天線效應的主因 ﹐這是在許EMI對策中容易疏忽的。