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EMC 測試、設計及排查技術 （四）

EMC 測試、設計及排查技術 （四）. Compliance Direction Systems Inc. Compliance Direction —— Direct to EM_Compliance （加拿大）容向系統科技有限公司 容 向 —— 專注於電磁相容方向. 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 Compliance Direction Systems Inc. 容向 —— 电磁兼容方向. 電磁敏感性 【EMS】 排查技術.

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EMC 測試、設計及排查技術 （四）

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  1. EMC測試、設計及排查技術（四） Compliance Direction Systems Inc. Compliance Direction —— Direct to EM_Compliance （加拿大）容向系統科技有限公司 容 向 ——專注於電磁相容方向

  2. 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 Compliance Direction Systems Inc. 容向 —— 电磁兼容方向 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  3. 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

  4. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  5. 抗干擾設計 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  6. 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

  7. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  8. 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】 • …….. 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  9. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  10. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  11. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  12. 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

  13. （連續波）傳導敏感度調試 • 軍標測試GJB151A/152A • RS101【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：IEC 61000-4-6 • 汽車行業標準：ISO11452-4【BCI測試法】 • 飛行器測試：DO160D 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  14. （連續波）傳導敏感度調試工具 信號發生器 信號源＋放大器 CS114/ IEC61000-4-6 • 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  15. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  16. 案例——傳導敏感度調試 860M空間分佈 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  17. 敏感度 —— 主要來自電纜 • 90％以上的敏感度問題，均來自電纜 • 絕大部分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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  18. （連續波）電磁場敏感度調試 • 軍標測試GJB151A/152A • RS101【磁場輻射敏感度】 • RS103【電場輻射敏感度】 • 民品測試 • 抗空間輻射：EN 61000-4-3 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  19. （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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  20. （連續波）輻射敏感度調試工具 信號源 ＋ 放大器 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  21. 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－3GHz • EMSCAN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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  22. 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

  23. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  24. 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表面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】的最主要的基本的元素。 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  25. 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。 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  26. 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。 • 在模組表面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。 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  27. 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，一部分電流（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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  28. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  29. 抗干擾調試工作環境 穩壓 電源 （電源 濾波 器） 干擾源 遮罩室 L N PE LISN （可選） EUT 測量 設備 木質工作臺 接地參考板 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  30. 突發干擾測量的核心方法 —— 脈衝率法 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  31. 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】 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  32. Langer系統 —— 信號源 • 包含在E1內 • SGZ21 • 輸出最大電壓：1.5 kV • 輸出突發干擾： 2/10 ns • 帶有光纖輸入的6位元計數器 • 輸出隔離 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  33. SGZ21輸出信號 脈衝群 • 脈衝間隔：1ms • 幅度：0－1.5kV， 連續變化，平均分佈 單脈衝形狀 • 上升沿：2ns • 下降沿：10ns • 幅度：0－1.5kV 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  34. 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。 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  35. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  36. 抗干擾能力測試＃2 • OSE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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  37. 抗干擾能力測試＃3 • A50/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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  38. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  39. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  40. 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 SGZ21 計數器 光纖 MS02 干擾電流 磁力線 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  41. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  42. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  43. 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，已知的故障是否會頻率降低？ 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  44. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  45. 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 • 主要部分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。 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  46. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  47. 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的一個模組或者一部分電路 • 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  48. 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 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  49. 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】 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

  50. 定位敏感模組及性質 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】 • 如果多層板，表面找不到地層，則在佈線空曠區域磨出地層，進行直接連接 容向系統——電磁相容專家，不僅僅是因為我們能即時看見電磁場

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