自制简易EMI问题探测工具

一路上

前言

测量电磁兼容性问题通常意味着你得拿着自己的产品原型跑到电磁兼容实验室去进行测试，那里通常有3m的无回声房间，还备有特别的使用天线和接收机的测量设备，测量的数据可显示出整个系统的最后结果，但在这样的地方并不总是能够容易地找到造成特定辐射问题的根本原因。

自制方法

其实我们是有可能在实验室环境下对产品原型进行一些基本的EMI测试的，还可对系统的各个模块分别进行。这样的测试通常属于近场环境（测量距离 < 0.16λ），因而在测试电流回路的辐射状况时需要使用小型的环形天线来对高频磁场进行测量。你可以使用一段50Ω的同轴电缆自己制作小型的拥有电屏蔽的环形天线，这看起来并不是一件很难的事情，可参考图1的示意进行。

图1：环型天线的做法

这种环形天线可以被连接到频谱分析仪上，当你使它在PCB上方移动时，你就可以看到哪里会有比较强的高频磁场。你也可以把它连接到一台示波器上（使用50Ω的端子），示波器上就可以显示出相应区域的切换噪声水平。保持天线环和板子之间的相对位置和距离不变，对电路、PCB上的回路做出某些改变，你就可以知道噪声水平在增加或是减少。

由于电源线的辐射对EMI水平的影响很大，你也可以测量这些线上的高频电流。不是所有的电流探头都有足够的带宽可以凸显EMI问题，这可通过将几匝线圈穿过一个EMI铁芯以形成一个高频电流变压器的方法来解决。其做法与环型天线的做法差不多，但需要将环形线圈3次穿过铁芯。参见图2。

图2：高频电流探头的做法

现在将电缆穿过铁芯就可以对其中的高频电流进行测量了，电流变压器的输出可以接入频谱仪或是示波器（使用50Ω端口）。

为了将测试工具和测试对象隔离开，最好是在电缆上加一个共模线圈，这可通过将引入分析装置的电缆多次穿过一个扣合式的EMI铁芯来实现。如图3。

图3：高频电流探头构造

将电源线的正、负两条线以同一个方向穿过铁芯可测量其中的共模电流，颠倒其中一条线的方向则可测量差模电流。参见图3。

另外一种手持式的工具是电流探测器，这是一种使用开放式铁芯的小型化电流变压器，参见图4。这种工具可用于测量铜箔路径或元件引脚上的高频电流。

图4：电流探测器的做法

这个工具在制作上会有一定的难度，你可以用一个有两个孔的铁氧体磁珠经过打磨以后得到开放式的铁芯，再加上4~5匝线圈，然后再将其连接到同轴电缆即可。最好是将此铁芯放在带有开口的屏蔽罩里。

当使用此工具的时候，你应当知道它也会捡拾到一些电场信号。为了分辨你测得的结果是来自于磁场还是电场，你可以在路径的上方将工具转动90°。如果测量的结果来自于磁场，其结果就会变为0。如果信号来自于电场，其结果就不会有什么改变。

图5：电流探测器的使用

电流探测器可让你知道变化中的高频电流在板上和元件上是如何流动的，甚至可以显示出电流在铜箔上是如何流动的：你将发现高频电流在铜箔上总是从最短的路径上经过。实际上，即使是地线层上的涡流也可以被测量出来。

所有测试描述将电缆穿过铁芯来测量电缆中的高频电流，电流变压器输出可以连接到频谱分析仪或示波器（终端为50Ω）。为了避免共模电流从被测设备流动到测量设备，建议在电缆中添加一个共模电感：这可以通过将引入分析装置的电缆多次穿过一个扣合式的EMI铁芯来实现。输入共模测量如图6所示。  

图6：辐射场形成的共模电流

总结

解决EMI问题可能是一件很复杂的事情，尤其是在面对完整的系统，同时又不知道辐射源所在的时候。有了关于高频信号和开关切换式转换器中的电流回路的基础知识，再加上对元器件和PCB布局在高频情况下的表现的了解，结合某些简单自制工具的使用，要想找出辐射源和降低辐射的低成本解决方案，从而轻松的解决EMI问题是有可能的。