物聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品設計中的低成本EMI/EMC預一致性測試

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)設備在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中的EMI/EMC問(wèn)題，本文以基于USB接口的RSA306實(shí)時(shí)頻譜分析儀進(jìn)行EMI預一致性分析測試為例，就如何進(jìn)行IoT的EMI/EMC測試進(jìn)行分析。

　　萬(wàn)物互聯(lián)在帶來(lái)機遇的同時(shí)，也帶來(lái)了許多的挑戰。在廣泛應用于WiFi、藍牙、ZigBee等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備時(shí)，電磁干擾和電磁兼容(EMI/EMC)問(wèn)題變得非常突出。為此，世界各地都制訂了不同的EMI法規(如FCC、ETSI、IC和KCC等)和EMI/EMC實(shí)驗室認證，以改善IoT設備的可靠性;此外，隨著(zhù)各種高速接口的大量應用和混合信號處理電路的應用，IoT設備的EMI環(huán)境變得更具挑戰性。而另一方面，IoT硬件開(kāi)發(fā)項目工程師在有效使用混合信號測試工具的經(jīng)驗方面也面臨著(zhù)挑戰(如圖1所示)。

物聯(lián)網(wǎng)全面開(kāi)發(fā)測試驗證工具

　　產(chǎn)品最終的應用目的(是家庭使用、汽車(chē)使用或者是工廠(chǎng)環(huán)境使用?是中國國內銷(xiāo)售還是出口到歐美?)決定了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)測試驗證工具需要遵循的規范，而需要遵循的EMI規范又決定了需要的測試工作。此外，不同行業(yè)對EMI規范的定義也有所不同。

　　傳統的EMI一致性測試是窮盡式測試，耗時(shí)較長(cháng)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的最終階段發(fā)生EMI測試失敗可能會(huì )導致昂貴的重新設計成本，并會(huì )耽誤產(chǎn)品上市;此外，在認證實(shí)驗室中進(jìn)行全面一致性測試成本可能會(huì )很高(每天的費用在1,000~3,000美元)。為了不影響產(chǎn)品的上市周期及最大限度降低成本，預一致性測試通常會(huì )用在早期階段進(jìn)行一致性問(wèn)題檢測。這將大大提高通過(guò)全面EMI一致性測試的成功概率，而不需要額外的重新設計，從而有效地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期;另外，預一致性測試設置相對簡(jiǎn)單，通過(guò)適當的設備和規劃，可以成為設計調試中的重要工具。

　　泰克科技一直以來(lái)堅持將業(yè)界廣受歡迎的信號分析軟件擴展到多個(gè)平臺應用的策略，這讓工程師能夠獲得相同的測試界面，同時(shí)也使他們能夠在較短時(shí)間內進(jìn)行更多新功能特性的測試。泰克先后基于MDO4000B和SignalVu-PC電腦推出了WiFi分析功能，并增加了對藍牙的測試功能。他們將會(huì )穩步地發(fā)布新軟件，所有新的功能都將在SignalVu軟件上以及任何可以運行該軟件的平臺上實(shí)現。因此，當前的功能和未來(lái)將會(huì )實(shí)現的功能都將在RSA5000、RSA6000以及泰克所有基于Windows平臺的示波器上實(shí)現。這意味著(zhù)在采用SignalVu軟件進(jìn)行測試時(shí)，所有分析平臺都會(huì )有相同的外觀(guān)以及使用體驗。如圖2所示，泰克科技測試產(chǎn)品組幫助工程師輕松應對包括實(shí)時(shí)頻譜分析、802.11xx 分析、藍牙無(wú)線(xiàn)分析、蜂窩調制分析和EMI 預一致性分析等IoT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的各種信號分析挑戰。

使用頻譜分析儀執行低成本EMI預一致性測試

　　RSA306實(shí)時(shí)頻譜分析儀(如圖3所示)是一款適合EMI預一致性測試的測試解決方案，特別適合IoT應用中對簡(jiǎn)便操作和經(jīng)濟性的要求。這些功能特性覆蓋了當前的大部分主流IoT應用。該頻譜分析儀支持9kHz~6.2 GHz頻率范圍，可捕捉高達40MHz帶寬的射頻信號。如IEEE802.11n的無(wú)線(xiàn)通訊信號，對于動(dòng)態(tài)范圍為-160 dBm至+20 dBm的通訊信號，可檢測的最小持續時(shí)間可達到100us;免費標配SignalVu-PC的功能，包括幅度、頻率、相位隨時(shí)間的變位，I /Q信號分量隨時(shí)間的變位、頻譜、瀑布圖和AM/FM/PM調制信號的分析等。

　　在預一致性測試中放射輻射測量和傳導輻射測量是兩項非常重要的測試項目，它們很大限度地減少了產(chǎn)品通過(guò)EMI認證所需的費用和時(shí)間。我們將通過(guò)兩個(gè)實(shí)測案例分析基于RSA306實(shí)現放射輻射和傳導輻射測試方法。

　　1.放射輻射測量分析

　　該放射輻射測量分析案例中，使用的是一米和幾厘米兩種距離。降低被測設備(DUT)與測試天線(xiàn)之間的距離會(huì )提高DUT信號強度與RF背景噪聲之比，但近場(chǎng)測試結果并不會(huì )直接轉換成EMI一致性測試中使用的遠場(chǎng)測試信號。因此，在得出結論時(shí)必須慎重增加預放以提升相對DUT 信號電平。

　　測量中使用了三臺成本非常低的PC板對數周期天線(xiàn)和一臺雙錐天線(xiàn)。這些天線(xiàn)安裝在三腳架上，放置簡(jiǎn)便。天線(xiàn)因數(AF) 和電纜損耗可以輸入到RSA306，校正場(chǎng)強。雙錐天線(xiàn)用于接收20 - 200 MHz頻率的信號，較長(cháng)的波長(cháng)要求較大的天線(xiàn)，由于其中包括許多無(wú)線(xiàn)廣播頻率，因而，背景噪聲也可能是一個(gè)問(wèn)題。

　　在把天線(xiàn)校正因數和電纜損耗輸入RSA306后，打開(kāi)峰值檢測器電源，設置極限行;調節極限行，使之適應測試環(huán)境。在打開(kāi)DUT電源前，一定要評估和分析測試環(huán)境特性(如圖5(a)所示)，從而確定在極限行和環(huán)境噪底之間是否有足夠的信號空間、是否有可以降低的已知信號以及是否需要把測試設置移到更安靜的環(huán)境。

　　如果對背景噪聲滿(mǎn)意，打開(kāi)DUT電源，兩項測量之差即為來(lái)自DUT的輻射(如圖5(b)所示)。在本案例測試中，使用已經(jīng)通過(guò)EMI一致性測試的泰克WiFi演示電路板，沒(méi)有檢測到失敗。如果已經(jīng)正確設置測試，沒(méi)有什么東西接近極限行，那么這可能意味著(zhù)已經(jīng)可以準備進(jìn)行一致性測試;如果在這個(gè)階段發(fā)現問(wèn)題，那么可能要求進(jìn)一步診斷和修改設計。RSA306上提供了一致性測量，同時(shí)也支持診斷，熟悉DUT設計的工程師可以進(jìn)一步確定問(wèn)題信號。

　　2. 傳導輻射測量分析

　　圖6為傳導輻射測量設置的方框圖，被測器件是筆記本電腦使用的通用AC/DC電源適配器。很多IoT電子產(chǎn)品的預一致性測試與此相似。

　　傳導輻射測量分析時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

　　1)由于LISN放電可能會(huì )損壞頻譜分析儀前端，因而，一定要先從LISN上斷開(kāi)頻譜分析儀的輸入，然后再從LISN中拔下電源;

　　2)在傳導輻射測量中，使用的是LISN而不是天線(xiàn)。LISN是一種低通濾波器，放在A(yíng)C或DC 電源與DUT 之間，可以創(chuàng )建已知阻抗，提供一個(gè)RF 噪聲測量端口。它還把不想要的RF 信號與電源隔開(kāi)。同時(shí)，增加一個(gè)預放也是提升相對DUT 信號電平的好方法;

　　3)另外，50 Hz或60Hz電源上傳導的干擾對某些設計可能也是一個(gè)問(wèn)題。大多數傳導EMI測試規定了9 kHz~1 GHz 實(shí)測頻率范圍，但在需要時(shí)也可以在更低頻率上測量信號。

　　對于低頻測量，泰克RSA5100 系列實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以覆蓋直到1 Hz以下的頻率范圍。為較有效地測量傳導EMI?？梢允褂脙蓚€(gè)LISN：一個(gè)用于DUT 的規定阻抗，一個(gè)用于頻譜分析儀或接收機。

　　對于傳導測量，背景噪聲來(lái)自于電源。盡管LISN提供了一定的隔離度，但需要額外的功率濾波。本案例測量通過(guò)增加電源濾波器，把進(jìn)入的噪聲降低到足夠低的水平來(lái)進(jìn)行傳導測量。首先，我們把LISN校正因數輸入RSA306，打開(kāi)峰值檢測器電源，設置極限行。在打開(kāi)DUT 電源前，一定要評估和分析測試環(huán)境特性。極限行與噪底之間是否有足夠的空間?是否需要增加功率濾波器?如果您對背景噪聲滿(mǎn)意，打開(kāi)DUT電源，按該順序把LISN輸出連接到頻譜分析儀上。兩項測量之差即為來(lái)自DUT的輻射。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第8頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。