EMC常見問題集

GW Instek的EMC pre-compliance solution注重在讓工程師於一般的工作環境中可以快速方便的進行產品EMI的評估和除錯,與在認證實驗室中以認證為主的量測不同在於以下幾點。 

  1. 環境雜訊的影響:在認證試驗室中雜訊可以得到很好的控制,且需要定期的檢驗;但在一般的工作環境中環境雜訊卻無法有效抑制。在傳導干擾量測上主要是工作環境中電源的純淨度,輻射干擾則是環境中既有的無線信號,如何對應的建議,請參考 ”進行Pre-compliance量測時,如何去除環境雜訊的影響?

    電波暗室具有良好的電磁波隔離和接地結構

  2. Pre-compliance使用的儀器為頻譜分析儀,與認證實驗室所使用的EMI接收機(EMI Receiver)在功能上有差異。
    頻譜分析儀(左) 和EMI 接收器(右)

  3. 輻射EMI在除錯階段使用的探棒與認證實驗室使用的天線量測是不同的;前者是電磁場的近場量測,後者是遠場量測,兩者間有著本質上的差異。
    探棒在PCB表面的近場量測(左) 和 天線在10m之外的遠場量測(右)
Pre-compliance 和認證實驗室測試結果有差異是正常的,因此了解差異的原因,以便從pre-compliance的量測得到參考及進行除錯是很重要的。兩者差異性可參考” Pre-compliance test 和認證實驗室使用的方案有何不同? ”。.
最重要的是在掌握兩者的差異後,建立pre-compliance的測試參考。例如pre-compliance需加嚴測試,在法規標準下再降低一定標準(如降低4dB), 作為與認證實驗室量測時的餘裕度。累積並建立這樣的測試參考後,將會大幅度提升在認證實驗室量測的成功率。
環境雜訊包括傳導和輻射EMI,可以在連接待測物後,當待測物的電源開啟之前,先進行EMI的量測,此時所得到的結果就是環境雜訊,接著再打開待測物的電源進行量測,即可將環境雜訊和DUT的EMI信號分辨出來。

假如環境EMI和DUT所產生的EMI是在同一個頻段,而且環境信號較強,其信號就很難分辨出來。在此提供兩種分辨環境雜訊的方式。
1. 使用Trace比對模式
環境雜訊包括傳導和輻射EMI,可以在連接待測物後,當待測物的電源開啟之前,先進行EMI的量測,此時所得到的結果就是環境雜訊,接著再打開待測物的電源進行量測,即可將環境雜訊和DUT的EMI信號分辨出來。
使用者可透過不同狀態下所量測的Trace,比對其差異,從波形來分辨是背景雜訊或者待測物帶來的雜訊。
例如下面的例子,使用者可在待測物尚未開機前,先將GSP-9330連接近場測棒或LISN;接著將掃描中的Trace設定成View模式,此時獲得的Trace就會是背景雜訊,如下方圖中的黃色Trace;然後將待測物的電源與設定好並進入工作狀態中,此時採用另外一條Trace進行測試,就可以發現信號的差異,如粉Trace,用這樣的比對方式就可以用來確認所找出的信號是否為DUT所發出的信號。如下圖結果,在紅框內的信號可以發現,在DUT開機前後所量測出來的訊號幾乎相近,那就表示這個頻段下的信號較有可能屬於背景雜訊,在進行分析時就可以先排除掉這塊的影響。
黃色Trace是待測物尚未開機前所量測到的訊號,粉色Trace則是待測物開機後所量測到的訊號。
2. 使用Topographic顯示模式
另外一種找出的模式,是採用Topographic的顯示模式來進行。(此模式無法使用於EMI Mode下,需要使用此模式需要跳出EMI Mode)
使用Topographic mode( Display >> Window Setup >> Topographic 或 Topographic+Spectrum) 來嘗試分辨同一個頻段中不同的信號來源。然而最佳的解決之道還是盡量在低環境電磁波雜訊干擾的環境中進行量測。
Topographic 模式顯示隱藏在掃描信號中的雜訊(以紅色箭頭表示)
在EMI測試中,判定待測物是否能通過EMI規範,在測試時需分別須通過QP Detector與 EMI-Avg Detector的檢波方式將信號檢測出來。
在實驗室使用EMI接收機進行測試時,為了要加速測試,通常會先透過PK+ Detection將整段信號擷取出來,抓取超過限制規範的信號頻率,然後用窄頻或零頻的方式找出超過規範的QP與AVG值。如下圖所示,在EMI Report中獲得之QP與AVG的值,就是透過軟體在背景運算與處理後所獲得的結果。
而使用GSP-9330進行的EMI信號檢測,著重在Pre-Compliance階段和Debug過程中,找出可能的EMI的來源,所以在這個階段通常會採用PK+ Detector來找出所有的EMI來源,並找出其中較大的信號來源來分析。如果也想知道透過PK+找出的頻率點之QP與AVG的值,只要手動將頻寬(Span)設定至窄頻或零頻,並檢波方式設定為QP或AVG,即可獲得。
GSP-9330的EMI測試報告產生方式有三種:
  1. 將量測結果的畫面儲存在USB隨身碟中:使用USB隨身碟儲存量測結果的畫面。完成測試之後,打開Peak Table可以將振幅最高的10個信號標示出來,或者使用Marker Table可以標示最多6個Marker,然後插入USB隨身碟待頻譜分析儀辨識程序完成後,即可進行儲存,此時儲存的檔案格式是JPG圖檔。

    操作程序是先在GSP-9330前面板USB插槽上先插入USB Drive,當畫面出現USB icon時,按下Quick Save鍵即可完成畫面儲存。

     
    GSP-9330的USB slot 與圖示(左);畫面可直接存在U盤上(右)

  2. 將量測結果的數據儲存在USB隨身碟之後再利用PC軟體(如 MS Excel)讀出來再處理:以USB隨身碟儲存量測數據,副檔名為tra,tra文件的格式是字元(Text)格式,內容是601個點(0~600點)的編號、頻率和振幅,只要利用PC軟體如MS Excel 便可後續處理,使用者可以自行將法規限制線輸入到MS Excel內,可以同時顯示出來。

    以 MS EXCEL表示

  3. 使用固緯提供之PC軟體SpectrumShot產出報表:使用GSP-9330專用PC軟體 SpectrumShot 可以連線測試讀取資料,或離線直接讀取USB隨身碟中的tra檔,以印表機印出或輸出為RTF格式檔案,本軟體可由固緯網站自由下載。
    SpectrumShot所產生的報表
     
    此PC軟體必須配合NI-VISA驅動程式,請至NI網站下載。
是的。GSP-9330已有內建EN55022A、EN55022B、EN55015、FCCA和FCCB法規,如果需要使用其他規範,使用者可以利用User Define功能(如下圖左),在頻譜分析儀上自行編輯並儲存法規限制線。法規限制線的儲存容量並沒有限制,只要容量足夠即可儲存,但如果需要呼叫測試規範,最多可以一次呼叫5組限制線規範。
此外也可使用PC專用軟體 SpectrumShot進行編輯與遠端控制,軟體可由固緯網站自由下載。軟體中已內建EN55011、EN55012、EN55014、EN55015、EN55022、EN55025、EN55032、FCCA和FCCB等較常使用的規範,使用者可根據測試的需求選擇所需要測試的項目,如傳導與輻射,不同的Class等級、產品別、Detector的檔位等,如下圖右。如果有其他的規範需求,使用者也可以自行編輯新的限制線。
此PC軟體必須配合NI VISA驅動程式,請至NI網站下載。
使用者定義之EMI規範操作選單 PC軟件SpectrumShot EMI限制線之選單
要顯示兩條自訂的Limit Line,請使用GSP-9330 的PC專用軟體 SpectrumShot。
此PC軟體必須配合NI-VISA驅動程式,請至NI網站下載。
當EMI信號太強時,GSP-9330會發出警告訊息,避免損害頻譜分析儀。此時建議在輸入端之前加上衰減器。
Power Over Range判定的方式是,只要信號大於Ref. Level就會判定信號過大,例如下圖的Ref Level設定為80dBuV,表示只要信號大於80dBuV就會出現Power Over Range。
可以,此時RBW會依據當時的頻段切換到符合的EMI頻寬。

Frequency

RBW

<30MHz

9kHz

30MHz-1GHz

120kHz

>1GHz

1MHz

設定後,各Trace將根據設定同時進行PK+、QP、AVG的掃描。
EMI Test下的Correction 是用來補償天線在水平或垂直極化時的信號量測;Sensor Probe下的3m/10m Correction是使用ANT-04探棒量到的信號後,轉成3m/10m 電波暗室的模擬結果。前者是天線遠場量測的修正,後者是近場探棒模擬在電波暗室裡的測試。
數位示波器是將待測信號進行取樣,利用FFT技術得到頻譜的分佈。用這種方式來分析EMI信號,會因為下列因素,造成在振幅量測上很大的誤差:
  1. 示波器與探棒的頻寬
  2. 輸入阻抗
  3. 取樣率
  4. ADC的位元數不足
因此在EMI 測試的應用上,使用數位示波器(DSO)的FFT是無法代替頻譜分析儀的。
示波器和探棒的頻寬
示波器所標示的頻寬是指3dB頻寬,例如一部頻寬100MHz的示波器,在量測一個真正100MHz的信號時會有3dB(約30%)的失真。為降低頻寬所造成的量測失真,一般對示波器頻寬選擇的建議是,5倍之待測信號的最高頻率,例如量測100MHz的信號,建議採用500MHz的數位示波器。
示波器和探棒的頻寬和頻率曲線
EMI法規對電磁輻射量測至少要量測到1GHz的頻段,而測試通過與否,經常就是在1到2dB的差異。為避免在高頻EMI或諧波信號量的誤差導致誤判,建議使用頻寬足夠的示波器,這代表示波器需要頻寬高達5GHz,這樣才能保持一致的振幅量測準確度。
除示波器以外,使用的探棒也有同樣的頻寬議題,主動式探棒具有較大的頻寬,但價格有可能要增加5~10倍。被動式探棒所標示的頻寬是探棒選擇需在10:1檔位的情況下,否則使用頻寬會下降。
示波器的輸入阻抗
若使用EMI的近場探棒連接示波器以取代示波器探棒,由於示波器的輸入阻抗一般為1M歐姆,因此在高頻部分將產生反射現象,也就是信號都被反射回探棒端,並沒有進到示波器裡,這種情形將隨著頻率變化而有不同。如果真要使用,就必須使用輸入阻抗有50歐姆選項的示波器。
示波器ADC的位元數
一般示波器的ADC是8-bit,特殊用途的DSO會具備較多位元的ADC。GW Instek的GSP-9330在小信號的檔位,透過專利技術後可達到23-bit。這些ADC位元數的差異,將在量測的結果上造成巨大的差異。
8-bit ADC的最低範圍步階,線性刻度(左)和對數刻度(右)

假設示波器垂直檔位最小檔位為1mv/div,10格代表10mV,以8-bit的ADC來進行取樣量測, 最小可量測電壓為

轉換為dBuV則為

在不考慮天線因素(1)的情況下,這個值已經高於CISPR22 電磁輻射ITE 類產品Class B的上限值(2)了,且因為解析度為40uV,所以下一個步階讀值為80uV,換算後為38dBuV,也就是說在32到38dBuV之間的EMI信號是量不到的。

備註
(1): 天線因素請參閱問題5。
(2): CISPR22 電磁輻射ITE 類產品Class B@10m之規範如下:

Frequency, MHz

QP limits, dBuV/m

30 ~230

30

230~1000

37

示波器ADC的取樣率

根據奈奎斯特取樣定理(Nyquist–Shannon sampling theorem),數位示波器的取樣率必須大於或等於待測信號的最高頻率的兩倍。在分析高頻EMI信號,更考慮必須選擇5倍頻寬的示波器,然後取樣率需要達到待測信號最高頻率兩倍以上,那就需要高價的示波器了。

而固緯的GSP-9330在10Hz RBW時,前置放大器打開的情況下底躁是-133dBm,相當於-26dBuV,可以量到比示波器小將近58dB的信號,所以使用示波器與頻譜分析儀的去量測小信號的能力,其效果差異是非常巨大的。

只要是輸入阻抗是50歐姆 的頻譜分析儀,都可以使用GKT-008的探棒。但是內建於GSP-9330的EMC Pretest中和GKT-008有關的功能就無法使用。
以硬體電路架構而言,GKT-008是設計用來與頻譜分析儀一起使用,只要是輸入阻抗是50歐姆 的頻譜分析儀,都可以和GKT-008的探棒一起使用。
然而GKT-008具有一些非常好用的延伸功能,必須配合固緯的頻譜分析儀GSP-9330 的EMC Pretest功能才能使用,這些功能主要包括:
  1. 遠場EMI量測預估
  2. 芯片的接腳在PCB上增加走線後EMI的預估
  3. 通訊介面接上纜線後的EMI預估
  4. 近場探棒ANT-04接上TG後,模擬信號源進行EMS測試
利用近場電場探棒和磁場探棒分別量測近場電場和磁場,只是各別量到EMI信號中電磁能量的兩個分量,不像GKT-008直接去感測實際的電磁能量來的直接有效。
近場電場探棒和磁場探棒只是個別量到EMI信號電磁能量的兩個分量,而實際的電磁能量是電場和磁場的向量外積運算如下,因此大的近場磁場並不代表就會輻射出去成為EMI的干擾;對電場而言也是一樣,所以量測近場電場和磁場只是在無法直接測到電磁波能量時的取代方式。而且由頻譜分析儀分別量到的電場E和磁場H,在實際上很難利用公式去計算得到電磁能量向量。
而且在EMI偵錯除錯的過程中,就解決問題的技術與方法而言,不論是隔離機制、濾波電路或在電路的接地設計,其實並未考慮要解決的是磁場還是電場的問題。主要手段還是量到EMI雜訊的頻率和振幅(能量),確認干擾信號源是哪一個電路或元件,抑制電流(如串聯電阻)或電壓(如並聯旁路電容)來改善。
使用固緯GKT-008的近場探棒直接感測電磁能量,可以直接量測實際的近場電磁能量,中間不需多一個步驟去分別量測電場和磁場,成為更有效率的工具。在某些特別的應用,如較大功率馬達轉動系統中,才需要各別分析電場和磁場。
因為近場探棒的原理與天線的工作原理並不相同,所以並沒有天線因素這項參數。
天線的功用是將接收到電磁波的電場強度,轉換為電壓,由輸出端口接到頻譜分析儀測量並顯示出來,與天線因數的關係如下:

是信號的電場強度, 是產生在天線輸出端口上的電壓;

在線性表示式中
但對數表示式中
故電磁波的電場強度,等於頻譜分析儀的量測讀值(電壓,dBuV), 加上天線因素(dB/m)。舉例而言,頻譜分析儀連接Biconical 天線,在320MHz 量到的信號為30dBuV, 天線因素是28dB/m, 則其電場強度為 30dBuV+28dB/m =58dBuV/m。
在上述電磁場遠場的情況下,空氣中傳送的電場強度Es和波阻抗Z有關,Z的定義為Z=E/H (電場E除以磁場H)。遠場的波阻抗Z是常數377 (120pi)歐姆,代表電場和磁場量值的關係是固定的,天線因素在此是可以用的。
但是EMI探棒在近場的波阻抗Z不是定值,而是和輻射源、測試距離和探棒形式有關,不像遠場固定的377 歐姆,所以近場探棒並沒有天線因素這項參數。
GKT-008內的SMA Cable型號為GTL-303,其規格為:
  • Insertion Loss: Less than 1.5dB, 0 ~ 3GHz.
  • Return Loss: Less than -18dB, 0 ~ 3GHz.

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