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辐射骚扰整改方法与案例(李思雄/徐毅敏)

2013-07-15  来源:本站

辐射骚扰整改方法与案例
The technique to Re F and one case

深圳电子产品质量检测中心 李思雄
CQC深圳分中心 徐毅敏

摘 要 辐射骚扰超标通常是电磁兼容测试中最常见也是最难对付的;文章通过案例清楚说明了一般整改思路及每一步骤,特别强调超标原因的正确分析;并就此指出几个关键注意事项。

关键词 辐射骚扰 超标 整改 思路 案例

Abstract Radiation emission test frequently fail and it is very difficult to mend usually. In this article, technique and process to solve Re F (Radiation emission test fail) are introduced clearly by one case that accentuated to research problem exactly. The key to Re F was indicated.

Keywords Re F mend technique case

 

(一)引言

    辐射骚扰主要是指能量以电磁波形式由源发射到空间或能量以电磁波形式在空间传播的现象。辐射骚扰是电磁兼容的重要内容,也是测试最不容易通过且最难整改的项目,谈到电磁兼容测试不合格令人首先想到的就是辐射骚扰超标(Re F); 辐射骚扰超标的产品可能引起周围装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害,一定要整改合格、符合有关法规标准要求,产品才能顺利走向市场。

    部分企业重视EMC,开发出来的产品能够一次通过测试;但多见的情况是样品经过艰辛整改才勉强合格;有相当多IT数码产品本来就容易发生辐射骚扰超标(Re F),要依靠EMC设计才能有效解决问题的,可企业在产品开发阶段根本没有考虑EMC设计,也没有进行相应EMC测试以验证设计方案就投入量产,致使大量产品最终检验不合格而需要整改。

(二)整改要求和整改方法概述

    如果产品辐射骚扰容易超标、整改不可避免,就要有负责整改的工程师;如整改工程师掌握无线电基础知识,了解辐射骚扰概念,能看懂电路和辐射骚扰测试图,兼有电子设计经验或EMC行业工作经验,就容易形成一套解决问题的办法。

    辐射骚扰整改的一般要求:对于已经材料齐套的批次产品、半成品或完成品,电路板不能改排版,成本要低,要能批量改进或生产;整改措施对下批次或类似产品设计具有指导意义。

    实施整改,通常要准备样品两台、说明书、电路图、结构图各一份;最好有一名熟练工人辅助操作。

    Re F整改方法:首先,初步了解产品特点,尽量多地了解当前产品辐射骚扰超标具体情况;其次,针对整改要求,了解产品电路原理,根据客户提供的信息判断是何种类型的超标(工作所需要的振荡信号谐波超标还是其它问题)以及可能的骚扰源;再次,结合电路分析,通过产品内部检查和近场探头探查,具体确定辐射骚扰源和主要的辐射发射途径;为确保入手正确,安排必要的排查测试作问题症结的进一步确认;第四步,综合分析结果,采取措施,进行整改;如果超标严重(6dB以上),必须从源头开始治理(超标12dB以上时往往还要同时采取其他办法);如果超标不严重(不超过6dB),可以直接从较易处理的主要问题点(可能是骚扰源也可能是传播途径)开始着手;第五步,验证整改效果;第六步,效果不理想则返回检查,效果好则可以考虑方案简化和综合验证,以找出最方便、经济的达标办法;第七步,做个笔记,小结经验。

(三)整改方法案例讲解

    这里详细介绍一款医疗产品Re F整改的每一步骤,基于保密和篇幅原因,但凡可以不提的信息全部略去。

 

    整改第一步,初步了解产品、了解辐射骚扰超标具体情况

 

    案例产品为医疗电子设备,塑料外壳,有两对输出长线连接作为电极的金属棒,电极用于连接人体不同部位,工作频率(10Hz~1MHz)可单一设定或程控交替变换。客户称该产品八月份在美国做FDA测试时Re F,三个多月来一直努力改进,始终未获通过。客户提供了此前每次整改前后的测试情况,简述如下:

 

①第一次,水平和垂直测试曲线(August 17 First Scan);

 

 

②第二次,线缆加铁氧体材料后改进不大;

③第三次用近场探头查找骚扰源;

④第四次把样机内外的线缆去除,没有负载状态时,测试曲线除了基底降低外几乎无变化;

⑤第五次箱体、线缆屏蔽后测试,结果改进不大;

⑥第六次24MHz和6MHz晶体振荡器接0.33Pf到地,电极和电源线上增加磁珠串接,测试结果没有明显改进。

⑦第七次采取样品内部屏蔽、电极和电源线上增加磁珠串接,晶振接地等措施,测试结果没有明显改进。

⑧第八次测试(Nov 09, 2005 Re with pads removed and 160 ohm Resistors connected),没有明显改进,Radiated Emissions 30 MHz - 1000 MHz 水平极化测试数据如下:

EN55011 Grp 1 Class B (Pk-H)

Frequency

Peak FS

Limit@10m

Margin

RA

CF

AG

AF

(MHz)

dB(uV)

dB(uV/m)

dB

dB(uV)

dB

dB

dB(1/m)

1.45E+08

49.6

30

19.6

66.9

4.7

32.9

10.9

3.15E+08

47.4

37

10.4

61

5.6

32.8

13.6

3.60E+08

51.1

37

14.1

63.4

5.8

32.8

14.7

3.84E+08

47.9

37

10.9

59.7

5.9

32.8

15.1

4.33E+08

48

37

11

58.2

6.1

32.8

16.4

EN55011 Grp 1 Class B (Pk-Vertical) 垂直极化测试数据略

 

    整改第二步,了解产品电路原理,判断超标类型和骚扰源

    认真阅读说明书和电路图,可以把电路图示简化为如图1:

 

    从客户所提供的以上信息,可以得到如下基本判断:

1、 产品辐射骚扰严重超标,最大超标28 dB(uV/m)以上;辐射骚扰超标由两部分叠加,其一为24 MHz在70 MHz~700 MHz的谐波,其二为120 MHz~300 MHz间的辐射群波骚扰;为此需要对应两部分问题同时考虑整改措施。

2、 24 MHz在70 MHz~700 MHz的谐波超标非常严重(几乎高出基底群波30dB),必须从源头开始治理。

3、 从客户提供的第四次(把样机内外的线缆尽量多去除,没有输出、没有负载状态的)测试曲线结果看,线缆、输出线和负载是群波辐射骚扰的主要发射载体。

4、 从客户提供的每次整改后测试结果看,如下整改措施效果不佳:箱体屏蔽、样品内部屏蔽、线缆屏蔽,24Mhz和6Mhz晶体振荡器接0.33Pf到地或晶振外壳接地,样品改接地点等;

恰好从电路、结构看,这些措施本来就不是好办法。

    整改第三步,结合电路分析,安排必要的排查验证测试,确认问题症结所在

    结合第二步分析,可以非常清楚看出,该案例Re涉及关键地方为:24MHz晶振电路、供电回路、地回路,24MHz晶振信号传输线,5V/72V DC/DC模块,DC/DC模块输入输出电路,外接电缆端口。

    从电路图看,主要问题有:24MHz晶振与振荡管之间未接入磁珠以吸收晶振振荡谐波,24MHz晶振电路由5V供电(一般3V供电的多,5V供电时24MHz振荡幅度很可能会过大,能否降低一些?),24MHz晶振信号传输线和供电线未接入磁珠或安排任何EMI抑制虑波电路, DC/DC模块输入端没有任何EMI抑制电路或器件安排,输出电路正负极之间只连接一个104电容。一句话,完全缺乏EMC考虑。估计电路排版也非常糟糕(该案例没有电路排版图、内部结构图), Re超差才会这么严重。拆开样品查看结构和电路排版,果不出所料,设计工程师没有EMC经验,不知道高频电流环路面积S越大, EMI辐射会越严重,电路排版随心所欲,毫无顾忌:整体电路分布安排欠佳,致使24MHz晶振信号传输线和供电线排得很长,旁边也没有安排相伴地回线;输出端口与实际电路输出部位分别在两头且没有任何处置,正负极输出电缆分别连接人体不同部位,几乎形成开放性天线;大多数地线形成孤岛和尖锐边角。局部电路排版(反面)如照片1所示:

    改进EMC问题,如同诊治疾病,一定要先查清病灶。以上根据电路和排版,作了一些初步分析,为了验证客户提供信息的真实可参考,把骚扰源头摸透彻,以便下一步实施整改时有的放矢,需安排必要的排查测试(一般产品120 MHz以上,水平测试较垂直测试骚扰超标会较严重;本案例主要排查120 MHz以上骚扰时,只安排水平测试)。

    排查测试一,样品未整改,正常状态下水平测试结果曲线如图Th1;

    排查测试二,样品未整改,只有电源线、去除样机内外的输出线缆、没有负载状态,测试结果曲线如图Th2;

    以上测试非常重要。说明客户信息真实,可确认前述分析结果:

①产品辐射骚扰超标非常严重,以至于只保留需要的电源线、去除样机内外的输出线缆状态下,测试结果基本不受影响;辐射骚扰超标由两部分叠加,其一为24 MHz在70 MHz~700 MHz的谐波,其二为120 MHz~300 MHz间的基底群波辐射骚扰;

②24 MHz在70 MHz~700 MHz的谐波超标非常严重(几乎高出群波30dB),必须从源头开始治理。

    借助高频示波器或频谱分析仪加上近场探头寻找主要骚扰源,初步确认24MHz晶振电路为70 MHz~700 MHz的24 MHz谐波骚扰源头,5V/72V DC/DC模块为基底群波辐射骚扰源头。

    24 MHz谐波理论上也是6MHz晶振谐波, 6MHz晶振电路对70 MHz~700 MHz范围内的谐波有多大程度的贡献?放大电路对于基底群波辐射骚扰多大程度的贡献?为了进一步确认,考虑安排如下几组排查测试:

    排查测试三:正常测试状态下,让24MHz晶体开路,没有24MHz振荡信号时水平/垂直测试,测试结果曲线如图Thv3:(上面一条为水平测试结果)

    排查测试四,正常测试状态下,断开放大电路72V供电时水平测试,测试结果曲线与Th2相似,说明整个有用低频信号放大电路对辐射骚扰贡献很小,可以不予考虑。

    排查测试五,正常测试状态下,断开5V/72V DC/DC模块的5V输入,让5V/72V DC/DC模块不工作(同时会影响低频信号放大电路也停止工作),天线水平极化,测试结果曲线如图Th5,可以看出,由于没有了原来凸起来基底群波,整个辐射骚扰测试曲线低了很多:

    为进一步确认5V/72V DC/DC模块的缺陷,把5V/72V DC/DC模块取出,进行单独空载测试,即只给输入,输出端没有任何连接,测试结果曲线如图:水平Th6、垂直Tv7

    基于DC/DC空载状态下,骚扰严重超出限值的情况,建议客户更换DC/DC模块。如能更换,将会大大简化整改措施,否则,这种DC/DC模块在电路中输入和输出都未有抑制安排的情况下,免不了要加装或加焊常规共模和差模抑制器件,内部处理不能完全消减骚扰至合格水平时外部电缆就免不了要加套磁环,即外部要采用带磁环电缆,会引起费用增加和装配不规范等新的问题。

    通过以上几步,问题非常明晰:24MHz晶振电路为70 MHz~700 MHz的24 MHz谐波骚扰源头,5V/72V DC/DC模块为基底群波辐射骚扰源头。

    整改第四、第五步,综合分析结果,整改、验证

第一整改目标:把24 MHz在70 MHz~700 MHz的谐波抑制到不高出群波3dB(最大不高出群波5dB);采取措施降低24MHz晶振信号幅度、消减24MHz谐波信号。

    具体整改措施:(1)保证不影响样品正常工作,减小晶振幅度,实际IC1正常工作电压2~6伏特,原5伏特供电调整为2.7伏特;(2)利用合适的高频吸收器件,吸收晶振谐波, 24 MHz晶振回路与IC脚连接间串接102磁珠(100MHz时阻抗1000欧姆。磁珠选择原则为在希望起作用的频率范围内,如案例中70 MHz~700 MHz,阻抗大,等效电感小,电流限值足够,尺寸大小适合安装,选择原则下同);(3)在电源线、24 MHz时钟信号线两端串接磁珠,减小晶振谐波的耦合、沿长线传播引起强辐射,特别避免晶振谐波不必要地从一个芯片传送至另一芯片被二次放大;(4)地线完整性检查及改进,使电源线、信号线环路面积最小(必要时可增加电源线、信号线的伴随地线),消灭地线孤岛。经过以上步骤,用频谱仪在同方位、同角度、同距离情况下比较未经改进和已经改进的两个样品的24MHz谐波信号大小,发现大有改进。通过测试,证明效果很好。

第二整改目标:把群波峰顶抑制到限值

6dB以下(最好在限值10dB以下);降低DC/DC

模块导致的基底抬高、隆起。

整改具体措施:
(1)分别在5V/72V DC/DC模块输入和输出端插入典型电源EMI抑制电路,如图2;

(2)由于未更换电源模块,同时客户没有现成合适的抑制器件,加之安装不便利,DC/DC模块输入和输出端拟插入的典型抑制电路只能“偷工减料”实施一半(如照片2三个瓷片电容和两个差模线圈)。

    由于内部处理不充分,外部电源线、两对输出电缆都要加套磁环或采用带磁环电缆。经过以上步骤,用频谱仪在同方位、同角度、同距离情况下比较未经改进和已经改进的两个样品,发现改进情况很好。安排效果验证测试八,正常状态下,水平、垂直测试图Th8/Tv8。证明第一、二步整改措施恰当有效。

    第六步,方案简化和综合验证

    已整改的样品Re合格,功能检验正常,性能检验时发现输出波形有一点点毛刺,好像最后工作输出波形有所变化,经进一步检查、对照未改进前样品波形,发现输出波形比以前有很大改进(原来毛刺太多,波形密集时连在一起看上去反而以为正常),去除了叠加在有用波形上的大部分无用信号,剩下很少的微弱不稳定毛刺,为了更好消除剩余杂波,放大电路光耦输入端串接的小电阻变更为差不多等阻值的102磁珠,结果输出波形更加漂亮。一般说来,正确的EMC整改,只会提高产品性能。

    考虑以上方案中,24MHz晶振谐波和DC/DC模块导致的基底群波抑制效果很好,几乎都有10dB以上裕量,可以适当考虑简化整改方案。试着取消电源线非晶振端的串接磁珠,取消地线完整性措施,(如果更换DC/DC模块可以取消更多第二步措施。)按照简化方案再改多两台样品,安排最后验证测试,完全达到整改效果,仍有5dB以上裕量。安排效果验证测试九,正常测试状态下,水平极化测试图Th9较之Th8结果稍差,垂直极化测试图与Tv8几乎完全相同。

    第七步,做个笔记,小结经验

    整改工作完成后,一方面,要认真落实整改方案、跟踪检查,另一方面,建议把整改、测试相关资料整理存档,做个小结笔记-特别考虑如果重新开发一样的产品时,应该在设计中注意什么。比如这次整改完成,对下批次或类似产品设计具有如下指导意义:

⑴重新选购合格的DC/DC模块;

⑵电路板重新排版:在原有线路板层数和器件不变时,尽量减小所有的高速信号及时钟信号线构成的环路面积,使信号线紧邻地回路;印制板分层原理与布线原理一样,电源平面与其对应的地平面相邻,相邻层的高速信号不跨区;所有的信号层特别是高速信号、时钟信号与地平面相邻,尽量避免两信号层相邻;

⑶I/O排线采用屏蔽性能好的线缆,屏蔽层可作为回线;内导线采用多股双绞线,使空间场互抵。

(四)本文小结

    整改成果不限于效果本身,最重要的是掌握整改方法,并从中意识到产品EMC重在设计、整改只是补救措施。辐射骚扰超标是电磁兼容常见现象,也是最难对付的项目;如整改思路明确,有步骤做实七步工作,关键是准确无误找到问题症结-这是整改核心,就可以取得较好效果;但治病不如防病,趁早考虑和解决EMC问题是最佳选择。

 

(文章发表在《电子质量》2006年第3期)