EMI初步诊断与细部诊断详细步骤说明

　　一、EMI初步诊断步骤

　　我们提出一套EMI诊断上的参考骤﹐希望用有系统的方式﹐快速的找出EMI的问题。我们并不准备探讨一些理论计算或公式推演﹐将从实务上说明。

　　当一个产品无法通过EMI测试﹐首先就要有一个观念﹐找出无法通过的问题点﹐此时千万不能有主观的念头﹐要在那些地方下对策。常常有许多有经验的EMI工程师﹐由于修改过许多相关产品﹐对于产品可能造成EMI问题的地方也非常了解﹐而习惯直接就下药方﹐当然一般皆可能非常有效﹐但是偶而也会遇到很难修改下来﹐最后发现问题的关键都是起行认为不可能的地方﹐之所以会种疏失﹐就是由于太主观了。因此﹐不论产品特性熟不熟﹐我们都要逐一再确认一次﹐甚而多次确认。这是因为造成EMI的问题往往是错综复杂﹐并非单一点所造成。故反复的做确认及诊断是非常重要的。

　　我们将初步的诊断步骤详列于下﹐并加以说明其关键点﹐这些步骤看来似乎非常平凡简单﹐不像介绍对策方法各种理论秘籍绝招层出不穷﹐变化奥妙。其实﹐许多资深EMI工程师在其对策处理时﹐大部份的时间都在重复这些步骤与判断。笔者要再次强调﹐只有真正找到造成EMI问题的关键﹐才是解决EMI的最佳途径﹐若仅凭理论推测或经验判断﹐有时反而会花费更多的时间和精力。

　　■步骤一

　　将桌子转到待测（EUT）最大发射的位置﹐初步诊断可能的原因﹐并关掉EUT电源加以确认。

　　（说明）

　　由于EMI测试上﹐EUT必须转360度而天线由1m到4m变化﹐其目的是要记录辐射最大的情况。同样地﹐当我们发现无法通过测试时﹐首先我们先将天线位置移到噪声接收最大高度﹐然后将桌子转到最差角度﹐此时我们知道在EUT面对天线的这一面辐射最强﹐故可以初步推测可能的原因﹐如此处屏蔽不佳或靠近辐射源或有电线电缆经过等。

　　另外须注意的是要关掉EUT的电源﹐看噪声是否存在﹐以确定噪声确实是由EUT所产生。曾见测试Monitor一直无法解决某一点的干扰﹐结果其噪声是由PC所造成而非Monitor的问题﹐亦有在OPEN SITE测试Monitor发现某几点无法通过﹐由测试接收仪器的声音判断应是Monitor产生﹐结果关掉电源发现噪声依然存在﹐所以关掉EUT电源的步骤是必须的﹐而且通常容易被忽略。

　　■步骤二

　　将连接EUT的周边电缆逐一取下﹐看干扰的噪声是否降低或消失。

　　（说明）

　　若取下某一电缆而干扰的频率减小或甚而消失﹐则可知此电缆已成为天线将机板内的噪声辐射出来。事实上﹐仔细分析造成EMI的关键﹐我们可以用一个很简单的模式来表示。

　　任何EMI的Source必须要有天线的存在﹐才能产生辐射的情形﹐若仅单独存在噪声源而没有天线的条件﹐此辐射量是很小的﹐若将其连接到天线则由于天线效应便把能量辐射到空间。所以EMI的对策除了针对噪声源（Source)做处理外﹐最重要的查破坏产生辐射的条件----天线。以往我们最常看到谈EMI对策离不开屏蔽（Shielding),滤波（Filter),接地（Grounding)﹐对于接地往往一块电路板多已固定﹐而无法再做处理﹐因为这一部份在电路板布线（Layout)时就须仔细考虑﹐若板子已完成则此时可变动的空间就非常小﹐一般方式仅能找出噪声小的接地处用较粗的地线连接﹐减低共模（Common mode)噪声。屏蔽所牵涉的材质与花费亦甚高﹐滤波的方式则是常可见Bead电感等﹐往往用了一大堆亦不甚见效﹐何以如此﹐许多时候是我们没有解决其辐射的天线效应。一般而言﹐噪声的能量并不会因加一些对策组件便消失﹐也就是能量不减﹐ 我们所要做的工作是如何避免噪声辐射到空间（辐射测试）或由电源传出（传导测试）。

　　产生辐射常见的几种情形：

　　（1）机器外部连接之电缆成为辐射天线

　　由于机器本身外部所连接的电缆成为天线效应﹐将噪声辐射到空间﹐此时噪声的大小和电缆的长度有关﹐因电缆的天线效应相对于噪声半波长时共振情形会最大﹐也往往是造成EMI无法通过测试。在解决这个问题前必须要做一些判断﹐否则很容易疏忽而浪费时间。

　　（a）噪声是由机器内部电路板或接地所产生

　　此情形为将电缆取下﹐或加一Core则噪声减低或消失。此时必须做的一个步骤是将线靠近机器（不须直接连接）看噪声是否会存在﹐若噪声并没有升高﹐则可确实判定由机器内部产生﹐若将电缆靠近而干扰噪声马上升高﹐由此时请参考（b）的说明。

　　（b）噪声是由机器内部耦合到电缆线上﹐而使电缆成为辐射天线。

　　这一点是许多测试工程师容易忽略的。此情形如（a）中所提到的﹐只要将一条电缆靠近﹐则可从频谱上看到噪声立刻升高﹐此表示噪声已不单纯是由线上所辐射出﹐而是机器本身的噪声能量相当大﹐一旦有天线靠近则立刻会耦合至天线而辐射出来。在实际测试中﹐我们发现许多通讯产品有这类情形发生﹐此时若单纯用Core或Bead去处理﹐并不能真正的解决问题。

　　（2）机器内部的引线﹐连接线成为辐射天线

　　由于许多产品内部常有一些电线彼此连接工作厅﹐当这些线靠近噪声源很容易成为天线﹐将噪声辐射出去。针对此点的判断﹐在200MHz以下之噪声﹐我们可以在线上加一Core来判断噪声是否减低﹐而对于200MHz以上之高频噪声﹐我们可以将线的位置做前后左右的移动﹐看噪声是否会增大或减小。

　　（3）电路板上的布线成为辐射天线

　　由于走线太长或靠近噪声源而本身被耦合成为发射天线﹐此种情形当外部电缆都取下﹐而仅剩电路板时﹐在频谱仪上可看见噪声依然存在﹐此时可用探棒测量电路板噪声最强的地方﹐找到辐射的问题加以解决。关于探测的工具及方法﹐将于后详细说明。

　　（4）电路 板上的组件成为辐射来源

　　由于所使用的IC或CPU本身在运作时产生很大的辐射﹐使得EMI测试无法通过﹐卵石种情往往在经过（1）﹑（2）﹑（3）的分析后噪声依然存在﹐通常解决的方法不外换一个类似的组件﹐看EMI特性是否会好一些。另外就是电路板重新布线时﹐将其摆放于影响最小的位置﹐也就是附近没有I/O Port及连接线等经过﹐当然若情况允许﹐将整个组件用金属外壳包覆（Shielding)也是一种快速有效的方法。

　　由以上的分析介绍我们可以了解﹐造成电磁干扰辐射最关键的地方就是电线的问题﹐当有了适当的天线条件存在很容易就产生干扰﹐另外电源线往往亦是造成天线效应的主因 ﹐这是在许EMI对策中最容易疏忽的。

　　■ 步骤三

　　电源线无法移去﹐可在其上夹Core或水平垂直摆动﹐看噪声是否有减小或变化。若产品有电池设备则可取下电源线判断﹐如Notebook PC等。

　　（说明）

　　如前所述电源线往往是会成为辐射天线﹐尤其是Desktop PC类产品﹐往往300MHz以上的噪声会由空间耦合到电源线上﹐所以判断产品的电源线是否受到感染是必须的步骤。由于噪声频带的影响﹐对200MHz以下可用加Core的方式（可一次多加数个）判断﹐对于200MHz以上的噪声﹐由于此时Core的作用不大﹐可将电源线水平摆放和垂直摆放﹐看干扰噪声是否有差别﹐若水平和垂直有很明显的差别﹐则可一边摆动电源线一边看频谱仪（Spectrum)上噪声之大小有否变化﹐如此便可知道电源线有否干扰。

　　至于若发现电源线会产生辐射时如何解决﹐一般皆不好处理﹐通常先想办法使机器内的噪声减小﹐以避免电源线的二次辐射﹐而使用Shielded线一般对辐射的影响并不大﹐故换一条不同长度的电源线﹐有时也会有很好的效果。

　　由这一点我们可知道﹐除了要使可册产生辐射噪声的组件远离I/O Port外﹐其也须尽量远离电源线及Switching power supply的板子﹐以免耦合到电源线上使得辐射及传导皆无法通过测试。

　　■步骤四

　　检查电缆接头端的接地螺丝是否旋紧及外端接地是否良好。

　　（说明）

　　依前三项方式大略找了一下问题后﹐我们必须再做一些检查﹐因为透过这些检查﹐也许不须做任何修改﹐便可通过EMI测试。例如检查电缆端的螺丝是否锁紧﹐有时将松掉的螺丝上紧﹐可加强电缆线的屏蔽效果。另外可检查看看机器外接的Connector的接地是否良好﹐若外壳为金属而有喷漆﹐则可考虑将Connector处的喷漆刮掉﹐使其接地效果较佳。另外若使用Shielded的电缆线﹐必须检查接头端处外覆的金属纲是否和其铁盖密合﹐许多不佳的屏蔽线（RS232）多因线接头的外覆屏蔽金属纲未册和连接端的地密合﹐以致无法充份达到屏蔽的效果。

　　各种接头如Keyboard及Power supply常常由于接头的插头与机器上的插座间的密合度不好﹐影响了干扰噪声的辐射。检查的方式可将接头拔掉看噪声是否减小﹐减小表示两种册可﹐一为线上本身辐射干扰﹐另一为接头间接触不好﹐此时插上接头﹐用手销微将接头端左右摇动﹐看噪声是否会减小或消失﹐若会减小可将Keyboard或Power supply的连接头﹐用铜箔胶带贴一圈﹐以增加其和机器接头的密合度﹐这一点也是实测上很容易被疏忽﹐而会误判机器的EMI为何每次测时好时坏﹐或花许多时间在其它的对策上面.

　　二、细部的诊断

　　在分绍相关对策之前﹐我们先详细说明如何精确的找到EMI的发射源﹐前面初步的诊断也许并不能找到真正的原因﹐或者产生一些误判或一直无法找到问题﹐则我们必须使用一些探测工具连接到频谱分析仪（Sepctrum analyzer)上﹐详细而全面的发现问题。一般常用的工具有两种﹐一种为磁场型的探棒﹐另一种为电场型的探棒﹐这两种工具可以在某些仪器厂商购得﹐须注意的是要选择适当的响应频率。在此我们介绍一种简便的方式﹐自行制作测量探棒﹐方便作细部的诊断。

　　■磁场探棒的制作

　　可使用漆包线绕Core多圈﹐然后用一塑料管连到BNC的接头。在塑料管内的漆包线可用编织线或铜箔胶带整个包覆﹐以避免噪声直接耦合到线上﹐而影响判断的位置。

　　■电场探棒的制作

　　使用一Shielded线﹐一端焊上小金属探棒﹐另一端连接103（0.01uF）电容上﹐再接到BNC接头﹐如此便完成电场型的探棒制作。

　　（1）磁场探棒探测整个机构及电路的噪声

　　将磁场探棒接到Spectrum analyzer,一般需加Amplifier效果较佳﹐把待测物接上电源﹐用探棒在电路板上逐一探测﹐配合由频谱仪上噪声的显示﹐找出电路板或机器内噪声最差的地方

　　由最差的地方﹐配合我们前面所讨论过造成EMI问题的原因﹐再分析一下电路组件找出原因。

　　（2）电场探棒探测各个线路及组件的噪声

　　一电场探棒有一小的探针﹐虽不是很灵敏﹐但可以有效好的分辨率。在用磁场探棒找出主要的噪声位置﹐有时还不能完全判断或找出问题﹐此时便要使用电场探棒在组件的接脚或电路板上的走线逐一测量﹐如此可以很确定的找到问题。

　　细部的诊断是必须熟悉的﹐如此可以节省来回在Open Site或Anechoic-chamber确认对策是否有效的时间。当加上部份对策组件或改变一些线路时﹐可直接用探棒测量比较﹐若与修改前并没有什幺差别﹐则不需要再拿到测试场地确认。

　　由于频谱分析仪的价格稍昂贵﹐若没有此项设备﹐则常常无法在EMI对策上做许多判断。故在此我们介绍如何利用示波器看线路上的对策效果﹐以方便设计工程师的修改。

　　将示波器的探棒连到机器内的振荡线路去测量﹐由示波器上看其方波的形状。通常若在方波前后缘的波形变化很大﹐则相对于频谱分析仪上的噪声也会很大﹐故将其前缘尽量让其圆滑缓和﹐则相对于频谱分析仪上的噪声便会降低。

　　三、.对策实例说明

　　我们会分绍一些电磁干扰的诊断方法﹐将依上述所说明的做一实例分析﹐供读者能更加明嘹。在此我们要再次强调电磁干扰诊断上的重要﹐而不要一直花时间在对策评估上﹐本文将依之前所介绍的诊断步骤﹐逐一介绍相关的对策方法。

　　（1）. 外部构造的屏蔽处理

　　此为一多重的Modem卡所组合的机组﹐其正面对天线时在高频500~800MHz﹐皆有甚高之噪声无法通过测试。此时可先用一大片铝箔﹐遮蔽其正面发现噪声会整个降低。如此可知﹐加强其正面的屏蔽﹐将会达到抑制的效果。采用的方法﹐可配合机构人员﹐做一些机构上的修改或变更﹐由于此种机器为数十块相同的Modem卡 所组合﹐其噪声往往会随所加的卡而增加﹐亦即其所插在机器上的卡愈多﹐其所辐射出来的能量亦愈大﹐故若单纯的在电路板上对高频噪声处理﹐较费时且是易。在此并介绍一个方法如何判断屏蔽的好坏﹐可直接用的接触机器外壳上﹐看噪声在频谱上是否会减低﹐在实际诊断上﹐这是一个相当快速而便利的方法。

　　一般若外壳使用金属的产品﹐在对策上不要忘了﹐看可否先从其外壳的屏蔽效果上处理﹐通常一个良好屏蔽的金属壳往往可以使噪声降低15~20dB。所以在您依步骤一做确认时﹐同时也可先行评估待测物金属外壳的屏蔽效果﹐对于一个有经验的EMI工程师﹐往往不须将产品实际测试﹐即大概知道外壳须处理的地方﹐在此笔者说明一般判断的原则﹐即是在接合及接缝处要达到 密不透风﹑滴水不漏 .若不符合原则的现象﹐往往可能造成屏蔽不佳。常用的对策方法为在屏蔽不佳处﹐将绝缘的漆刮掉﹐贴上金属箔片﹐用金属弹片补强﹐用螺丝锁紧等。

　　（2）.机器外部的电缆线处理

　　此为一Desktop PC产品﹐由于电源线的关系﹐使机壳内的噪声﹐耦合到其内的电源线﹐而使在外的电源线成为一支辐射天线﹐在160MHz附近﹐其无法通过测试。对策的方法为找一条较短的电源线换上﹐则可发现不单低频部分降低许多﹐连原先的高频部份亦减低﹐而快速的符合测试要求。由此例可以看出线的长短﹐会影响辐射情形的好坏﹐当改变辐射源的条件时﹐噪声的情况亦随之改变。在其它类产品亦往往有此现象﹐而最容易被忽略﹐例好收音机之本地振荡的辐射﹐在机壳内往往亦会耦合到电源上﹐而辐射到空间上﹐因此必须注意在机壳内的整个布线的位置﹐尽量使线远离振荡源﹐以免加大机壳线上的辐射。在电源线传导的测试上﹐有兴趣的读者亦不妨一试﹐对于不同长度的电源线﹐其噪声的大小亦会有差别。

　　当然许多人或许有些疑问﹐上述方法是否真正解决了产品上的EMI问题﹐为何不直接从source上减小辐射﹐稍后我们将介绍一些对策方法﹐以供参考。

　　但是往往这些对策由于电路板的限制﹐而无法充分符合要求﹐更甚而如前所述﹐加上一些电阻﹐电容或bead﹑EMI的情形反而更差﹐或机器的动作不正常﹐或不工作等等。如果能有简单的方法而快速的解决﹐是不需要一定往source上去钻﹐在此笔者要强调的是必须全面性的去看待一个EMI问题﹐对策方式是先从产品周边对策﹐而非一开始就先从电路板上着手。事实上﹐要处理产品的EMI问题﹐事后的对策﹐不论是由电路板上或外观上补救﹐都已不是根本的办法﹐只有在设计之初﹐便把EMI的问题考虑进去﹐才能达到整体的效果﹐所以﹐在此笔者要再次强调﹐千万不要一下子就把问题放在振荡器上﹐虽然我们知道噪声必定是由clock所产生﹐然而clock的功能类似人的心脏﹐通常是此产品的工作中心﹐在clock上做一些EMI之抑制﹐往往其工作性能会受到影响﹐尤其当clock使用的频率愈高愈易受影响。

　　（3）.机器内部的电缆线处理

　　此为传真机产品﹐在测试对策时发现﹐当机器上下盖分离时﹐噪声会明显降低﹐而当机器上下合成一体﹐噪声立即会升高。仔细研究发现﹐由于传真机内部有许多连接的电线﹐当上下盖打开﹐此时这些线离电路板上的振荡源较远﹐而当上下盖闭合时﹐因内部空间变小﹐致使这些连接线靠近振荡源而将噪声辐射到空间﹐这是一个典型的机器内部连接辐射的例子。往往在其它产品上也会发生﹐例如Desktop PC等。处理的原则可从两方面着手﹐一是将线重新整理﹐避开振荡线路的部位﹐这是从改变位置﹐减少耦合的观念处理﹐另一方法即是在线上加一对策组件铁粉心（Core）来抑制噪声的辐射干扰。

　　（4）电路板上的布线处理

　　此为一CD放音机的产品﹐由于其电路板上Crystal到IC的走线太长﹐以致这条线被当成天线﹐将噪声辐射出来﹐最后解决的方法为将电路板上的线切断﹐另外用一Shielded的线接上﹐如此则噪声干扰的情况明显改善。一般在电路板上Layout时﹐通常对一些clock的线﹐会限制其长度﹐尽量不要太长﹐像上例就因为其clock的走线太长而造成﹐另外对于含有高频信号的走线﹐在Layout时亦可考虑用地线将其包住﹐对噪声的防制亦会有一定的效果。电路板上线路造成EMI干扰﹐一般不容易诊断出来﹐而要在Layout时﹐完全考虑进去也不容易﹐但是在对策诊断也是一项非常重要的影响因素。

　　（5）.机器内的振荡频率

　　本节中我们将针对电路板上振荡的部份做一说明﹐亦即当前述的各项抑制方法效果不理想或甚而无故﹐那此时我们便要考虑是否从电路上下手来解决问题。一个电路板上有时往往用上许多个振荡器﹐加上IC内部的除频动作﹐故首先必须要确定问题源是由何处所引起﹐如此对策才不易浪费时间﹐诊断的方法如前所介绍的﹐先用磁场型探棒测电路板﹐找出辐射问题的关键﹐然后可用电场型探棒﹐逐一找寻干扰的现象。一般皆针对有问题的线﹐作下列数种处理﹐加电阻﹑加电容﹑加Bead﹑加Filter﹐事实上﹐对于电路板上EMI的抑制﹐离不开这四种方法﹐至于要怎幺加﹐也许对一个刚接触EMI问题的工程师﹐会感到茫然﹐不过经验是靠时间所累积﹐当您不断去尝试便逐渐能有一些心得和收获﹐常有人说EMI的修改是一种艺术﹐为什幺会如此说呢﹖有经验的EMI工程师可能都曾遇到类似的问题﹐同样一颗电容加在一电路板上﹐会因为所放的位置不同﹐而在EMI上会有不同的情形﹐虽然从电路图上而言﹐是没有什幺差别﹐这大多是因为高频的特性所造成﹐例如当使用一bypass电容﹐其电容上接脚的长短﹐对其bypass的效果亦会有很大的影响。笔者在此再次说明一般电路板上所用的对策方法﹐目前是以电阻﹑电容﹑Bead﹑Filter这四种组件为主﹐至于该选择那一种组件﹐下在哪一个置﹐是经过不断的试验﹐也就是trial and error﹐这也是EMI对策修改时﹐要花掉许多的时间﹐如何利用这四种组件的特性﹐减低或抑制EMI﹐使产品能符合测试标准﹐是今大多数EMI修改工程师绞尽脑汁的。

　　为使一般读者也能了解﹐下列的简图是一个参考﹐亦即一般电阻﹑电容﹑ Bead﹑Filter放置的方式﹐这只是一理论上的参考﹐在实际电路板上﹐可能要花些时间或靠些运气找到最适当﹑最有效的摆放位置。