Annons

Kontrollera strålad och ledningsburen störning före sluttest av EMC

Det kan bli dyrbart att sent upptäcka EMC-problem. Den här artikeln ger svar på hur man bäst kan göra en förberedande mätning, ”pre compliance”, för att på ett tidigt stadium kunna optimera sin konstruktion i störningshänseende. Artikeln kommer från Agilent Technologies. Många problem kan försena introduktionen av en ny produkt och spräcka budgeten. För alla elektriska och elektroniska enheter är en av de viktigaste svårigheterna att uppnå elektromagnetisk kompatibilitet enligt  EMC-direktivet. Den är noga föreskriven i de flesta länder och varje produkt förutsätts uppfylla kraven i alla de länder där produkten ska säljas.
Eftersom utvärderingen måste utföras på en producerad enhet måste proven normalt utföras i slutet av utvecklingsprocessen. Om produkten inte klarar kraven i detta sena skede leder det troligen till två typer av betydande försening.
För det första tar det tid för konstruktörerna att finna och åtgärda orsakerna till problemen. För det andra går tid förlorad eftersom hela testprocessen för kompatibilitet måste göras om.
För att minska risken för sådana förseningar har många företag lagt in preliminära kompatibilitetstester  (”pre compliance test”) av elektromagnetiska störningar (EMI) som en del i utvecklingsprocessen. Den effektivaste principen är att upprepa testet i olika utvecklingsstadier: idékonstruktion, labprototyp, produktionsprototyp och pilotkörning. Se fig 1. Även om sådana preliminära tester inte kan ersätta kompatibilitetstestet kan goda resultat vara en positiv indikation på att den nya produkten troligen klarar det slutgiltiga kompatibilitetstestet under första försöket.

Fig 1. Preliminära kompatibilitetstester under utvecklingsprocessen kan spara tid och pengar och kanske ge en bättre konstruktion.

Både kompatibilitetstestet och de preliminära kompatibilitetstesterna utvärderar två typer av störningar: elektromagnetisk strålning och störningar i ledningssystemet. Den elektromagnetiska strålningen är högfrekventa signaler som testenheten (DUT,” device under test”) sänder till omgivningen. Störningarna i ledningssystemet är oönskade signaler i elnätet som orsakas av DUT. Båda typerna av störningar har blivit vanligare genom att de digitala klockhastigheterna har ökat till 1 GHz och mer. Den här artikeln ger nyttiga tips som kan underlätta mätningarna och diagnostiseringen av båda störningstyperna.

Kompatibilitetsavvikelser och preliminära kompatibilitetstester

Fullständiga kompatibilitetstester utförs vanligen av utbildade specialister på auktoriserade testlaboratorier. Testutrustningen måste omfatta följande: en godkänd testplats (Exemplet inkluderar testplatser utomhus, ”open area”, och inomhus i halvekofria rum),  lämplig testutrustning (t.ex. omvandlare, antennsystem och vridskivor) och en mottagare som uppfyller kraven i specifikationen CISPR 16-1-1. Utrustning av den här typen kan vara rätt dyra och kostnaden för preliminära kompatibilitetstester är därför ofta ett problem.
När produktutvecklare utför egna preliminära kompatibilitetstester gör de en preliminär utvärdering av produktens kompatibilitet enligt lämpliga standarder som CISPR och MIL-STD-461. Även om dessa mätningar endast ger en ungefärlig indikation på förväntade EMI-egenskaper, ger de ändå betydelsefull kunskap om konstruktionens EMC-egenskaper före det slutgiltiga kompatibilitetstestet.
Fig 2 visar typisk utrustning för preliminära kompatibilitetstester. "Mottagaren" kan antingen vara ett specialinstrument som Agilent N9038A MXE EMI-mottagare eller ett universalinstrument för signalanalys av RF/mikrovågor som Agilent N9020A EXA med tillvalet inbyggd programvara för EMC-mätningar (N6141A).

Fig 2. Ett system för preliminär kompabilitetsmätning omfattar erforderliga delar för att kontrollera båda typer av störningar – elektromagnetisk  strålning och störningar i ledningssystemet.

De viktigaste tillbehören är lämpliga antenner för att mäta den elektromagnetiska strålningen samt en transientbegränsare och ett nät med stabiliserad ledningsimpedans (Line Impedance Stabilisation network), LISN) för mätning av störningar i ledningssystemet.

Förberedelser för "pre compliance”

Signalanalysatorer som mäter RF och mikrovågsfrekvenser är nyttiga verktyg och de blir än mer användbara om de förses med en applikation för preliminär kompatibilitetsmätning som förenklar testprocessen. Innan testet startas, måste några viktiga frågor besvaras:
* Var ska produkten säljas?
* Vilken är dess klassificering? De fyra huvudkategorierna är:
– Utrustning för informationsteknik (ITE)
– Industriell, vetenskaplig eller medicinsk utrustning (ISM)
– Utrustning för fordon eller kommunikation
– Allmän kategori  för produkter som inte kan placeras i någon av de andra kategorierna.
* Var kommer den att användas? Typiska användarkategorier är tung industri, lätt industri, affärsverksamheter och hem.
Svaren avgör vilka standarder som är relevanta. En ITE-enhet som ska säljas i USA måste uppfylla FCC 15-standarder. Utförlig information om de relevanta CISPR- och FCC-standarderna finns online på www.iec.ch resp. www.fcc.gov.
När de rätta föreskrifterna har identifierats är nästa steg att koppla upp utrustningen och kontrollera den elektromagnetiska strålningen och störningarna i ledningssystemet. Mätningarna av den elektromagnetiska strålningen är den svåraste delen, eftersom en antenn måste användas för att fånga signalerna. I allmänhet är det lättare att koppla upp utrustningen för mätningar av störningar i ledningssystemet eftersom de baseras på fasta ledningsanslutningar mellan DUT och signalanalysatorn eller EMI-mottagaren.

Tips: Mät elektromagnetisk strålning

Mätningen av den elektromagnetiska strålningen identifierar högfrekventa signaler, som skapas av DUT. Varje mätning måste upprepas för varje sida av DUT och detta gör man genom att placera enheten på en vridskiva.

Fig 3. Mätning av elektromagnetisk strålning kräver att minst en antenn används.

En typisk uppkoppling visas i Fig 3. Jämfört med mätningar av störningar i ledningssystemet är dessa tester något mer komplexa på grund av den omgivande miljön, som kan innehålla tillfälliga signaler som kan störa antennbaserade mätningar. Störsignaler kan vara särskilt problematiska i stadsområden som kan ha mängder av omgivande signaler, vilka ofta är starka nog att skymma signaler från DUT: radiosändningar, personsökare, mobiltelefoner och Wi-Fi.
Mätningarna går snabbare och är enklare om de genomförs i ett halvekofritt rum. Orsak: inneslutningen dämpar oönskade signaler från omvärlden och begränsar rummets signaler till dem som kommer från utrustningen inuti rummet.
Om man saknar tillgång till ett sådant rum kan några få enkla tekniska knep hjälpa att finna de sökta signalerna. Den enklaste metoden är att stänga av DUT och söka efter signaler som ändå finns på analysatorns display. Ett annat alternativ är att använda den tidigare nämnda vridskivan: den ger en möjlighet att vrida DUT, vilket gör att den DUT-skapade signalens amplitud ska ändras på analysatorns display medan omgivningens signaler hela tiden är oförändrade.
En något mer invecklad teknik är att använda två antenner. Den ena är placerad på ett standardspecificerat avstånd från DUT medan den andra är placerad på det dubbla avståndet. De båda antennerna är kopplade till ingångarna på en RF/mikrovågsomkopplare och omkopplarens utgång är ansluten till analysatorn eller mottagaren. Växling mellan de båda antennerna bör klarlägga vilka signaler som kommer från omgivningen: De som har relativt konstant amplitud kommer troligen från omgivningen medan de som är 6 dB svagare vid den andra antennen troligen skapas av DUT.

Tips: Mät störningar i ledningssystemet
Som tidigare påpekats identifierar dessa tester DUT-skapade signaler som förs vidare ut i elnätet. Mätningarna utförs via anslutna ledningar mellan DUT, en transientbegränsare med högpassfilter och analysatorn . Se fig 4.
Några enkla tips kan hjälpa till att få rättvisande resultat. Till exempel bör strömsladden mellan LISN och DUT vara så kort som möjligt eftersom en lång ledning i själva verket är en antenn som kan fånga upp omgivningens signaler och lägga till dem i mätningarna. Ett förslag, som kan verka motsägelsefullt, kan också vara nyttigt: Att ansluta ett ferritfilter till strömsladden kan inte rekommenderas eftersom det kan dämpa common-mode-signaler från DUT. En dämpning av dessa signaler kan leda till potentiellt missvisande mätresultat, som är lägre än de verkliga.

Fig 4. Mätningar av ledningsburen strålning görs via anslutna ledningar och signalbehandlare.

Tips: Diagnosproblem
Testresultaten bör ge tillräcklig information för att avgöra om produkten är klar för ett fullständigt test av kompatibiliteten. Om DUT inte klarar ett eller flera tester måste utvecklingsgruppen ta reda på varför och genomföra konstruktionsändringar.
För att svara på varför krävs två viktiga enheter: en prob med kort räckvidd och en signalanalysator . Se fig 5. Sparade resultat från tidigare tester kan användas för att identifiera problemfrekvenserna. Efter att ha ställt in signalanalysatorn eller EMI-mottagaren på läget "spektrumanalys" används proben för att skanna DUT och finna möjliga källor till problemsignalerna. För de platser som skapar de starkaste signalerna ska kurvorna sparas i analysatorns minne.

Fig 5. Med en prob med kort räckvidd blir signalanalysatorn ett informativt diagnosverktyg.

För de flesta DUT gäller att för att få en markant minskning av oönskade signaler måste man byta komponenter, konstruera om någon krets eller lägga till skärmar. När ändringarna är genomförda ska DUT testas om med samma instrumentinställningar och samma uppkoppling: Därigenom säkerställs en meningsfylld jämförelse mellan mätdata före, respektive efter de gjorda ändringarna. Återigen kan tidigare sparade mätkurvor tas fram och jämföras med nya mätkurvor:  Alla förbättringar i "närområdets" nivåer brukar visa sig på liknande sätt i mätningar på avstånd.

Utnyttja ett öppet marknadsfönster
När DUT klarar de preliminära testerna är sannolikheten stor att första fullständiga kompatibilitetstestet lyckas – och detta förbättrar företagets möjligheter att lansera den nya produkten när marknadsfönstret fortfarande är öppet. För preliminära kompatibilitetsmätningar kan konstruktörerna ha nytta av att använda ett instrument – en signalanalysator eller en EMI-mottagare – som klarar allmän spektrumanalys utöver inbyggda möjligheter som förenklar EMI-tester. Med denna typ av instrument kan produktutvecklare snabbt utföra informativa mätningar och sedan återgå till sina primära mål: bli färdiga med den nya produkten i tid och inom budget.

Comments are closed.