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EMIトラブルシューティング
この記事では、EMIの上位4つの問題、伝導性エミッション、放射性エミッション、放射性イミュニティ、および静電放電のトラブルシューティングを行うための通常実行手順について説明します。 これらのうち、最後の3つが最も一般的な問題であり、通常、放射エミッションが最大の障害です。 製品またはシステム（EUT）に十分な電力とI / Oポートフィルタリングがある場合、伝導性エミッションおよびその他の電力線関連のイミュニティテストは通常問題になりません。
EMIのトラブルシューティングに役立つ推奨機器のリストを作成しました。 ダウンロードリンクは参考文献1に記載されています。
これは通常、適切な電力線フィルタリングを考えると問題ではありませんが、多くの低価格の電源には適切なフィルタリングがありません。 一部のノーブランドの製品には、フィルタリングがまったくありません。 実施された排出ガス試験は簡単に実行できるので、ご利用ください。
スペクトラムアナライザを次のように設定します。
また、水平スケールを線形から対数に設定して、周波数を読みやすくすることも可能です。
ラインインピーダンス安定化ネットワーク（LISN）を入手し、テスト対象の製品またはシステムとスペクトラムアナライザの間に配置します。 以下の接続順序に注意してください！
EUTの電源を入れてから、LISNの50オームの出力ポートをアナライザーに接続します。 高調波は通常、低周波数で非常に高く、30MHzに向かって先細になることに注意してください。 これらの高調波がアナライザをオーバードライブしないようにしてください。 必要に応じて、内部減衰を追加します。
検出された平均ピークを適切なCISPR制限と比較することにより、正式なコンプライアンステストの前に、EUTが合格か不合格かを判断できます。
シールドされた部屋や半無響室の外でテストするときにすぐに遭遇する問題の1つは、FMおよびTV放送送信機、携帯電話、双方向ラジオなどのソースからの周囲信号の数です。 これは、電流プローブまたは外部アンテナを使用する場合に特に問題になります。 通常、「最大ホールド」モードを使用してアナライザーでベースラインプロットを実行し、複合アンビエントプロットを作成します。 次に、実際の測定用に追加のトレースをアクティブにします。 たとえば、画面には3つのプロットまたはトレースが表示されることがよくあります。周囲のベースライン、「前」のプロット、およびいくつかの修正が適用された「後」のプロットです。
多くの場合、スペクトラムアナライザの周波数スパンを特定の高調波でゼロに狭める方が簡単であるため、周囲の信号のほとんどが排除されます。 高調波が狭帯域連続波（CW）の場合、分解能帯域幅（RBW）を減らすと、EUT高調波を近くの環境から分離するのにも役立ちます。 RBWを減らしても、高調波の振幅が減らないことを確認してください。
もう1つの注意点は、近くの強力な送信機が測定信号の振幅精度に影響を与えるだけでなく、高調波のように見える混合生成物を作成する可能性があることですが、実際には送信機の周波数とアナライザのミキサー回路の組み合わせです。 外部送信機の影響を減らすために、必要な高調波周波数で外部バンドパスフィルターを使用する必要がある場合があります。 より高価ですが、事前に調整されたEMIレシーバーは、高RF環境では通常のスペクトラムアナライザよりも便利です。 Keysight TechnologiesとRohde＆Schwarzが検討すべきサプライヤーです。 これらの手法はすべて、参考文献3で詳しく説明されています。
これは通常、最もリスクの高いテストです。 スペクトラムアナライザを次のように設定します。
垂直方向の単位をデフォルトのdBmからdBμVに設定して、表示される数値がプラスになることがあります。 これも、規格のテスト限界で使用されているのと同じ単位です。 また、水平スケールを線形から対数に設定して、周波数を読みやすくすることもできます。
500 MHzまでの初期スキャンを実行します。これは通常、デジタル高調波の最悪の場合の帯域であるためです。 他の主要な放射を特徴づけるために、少なくとも1 GHz（またはそれ以上）までの放射も記録する必要があります。 一般的に言えば、低周波数の高調波を解決すると、高周波数の高調波も減少します。
ほとんどのニアフィールドプローブキットには、EフィールドプローブとHフィールドプローブの両方が付属しています。 HフィールドまたはEフィールドプローブの決定は、電流（つまり、高di / dt）（回路トレース、ケーブルなど）または高電圧（EMI）（dV / dt）をプローブするかどうかによって異なります。（それぞれスイッチング電源など） どちらも、シールドされたエンクロージャーの漏れのある継ぎ目や隙間を見つけるのに役立ちます。
より大きなHフィールドプローブ（図1）から始めて、製品エンクロージャ、回路基板、および接続されたケーブルの周りを嗅ぎます。 目的は、主要なノイズ源と特定の狭帯域およびブロードバンド周波数を特定することです。 観察された場所と支配的な周波数を記録します。 ソースに焦点を合わせると、より小さな直径のHフィールドプローブに切り替えることができます。これにより、解像度が向上します（ただし感度は低下します）。
ボード上にあるすべての高周波エネルギー源が実際に放射するわけではありません！ 放射線には、I / Oケーブル、電源ケーブル、シールドされたエンクロージャの継ぎ目など、「アンテナのような」構造と何らかの形で結合が必要です。 高調波周波数を既知のクロック発振器または他の高周波ソースと比較します。 共著者であるPatrickAndréによって開発されたClockOscillatorCalculatorを使用すると便利です。 参考資料2のダウンロードリンクを参照してください。 ボードレベルの修正を行うときは、プローブチップの物理的な位置で発生する変動を減らすために、必ずニアフィールドプローブをテープで留めてください。 修正を適用する際の相対的な変更に注目してください。 また、Hフィールドプローブは、その平面がトレースまたはケーブルと平行に向けられている場合に最も感度が高くなります（多くの磁束を結合します）。 また、プローブをプリント基板の平面に対して90度に配置することをお勧めします。（ 図2）を参照してください。 電流プローブ次に、Fischer Custom CommunicationsモデルF-33-1、または同等の高周波電流プローブを使用して、接続されているコモンモードケーブル電流（電源ケーブルを含む）を測定します（図3）。 上位のいくつかの高調波の位置を記録し、近接場プロービングによって決定されたリストと比較します。 これらはアンテナのような構造（ケーブル）上を流れているため、実際に放射してテストの失敗を引き起こす可能性が最も高くなります。 製造元が提供する伝達インピーダンスの校正チャートを使用して、特定の周波数での実際の電流を計算します。 FCCまたはCISPRのテスト制限に合格するには、5〜8μAの高周波電流が必要です。
（図1） 近接場プローブは、潜在的な放出源を特定ることが可能
（図2） 示されているように、Hフィールドプローブは、回路トレースまたはケーブルに対して方向付けられたときに最高の感度を得ることが可能（図）Patrick André
（図3） 電流プローブを使用して、I / Oおよび電源ケーブルを流れる高周波電流を測定
高調波を最大化するために、電流プローブを前後にスライドさせることをお勧めします。 これは、ケーブルの定在波により、一部の周波数がさまざまな場所で共振するためです。 また、対象の周波数で長さが電気的に短いと仮定して、ワイヤまたはケーブルに流れる電流を考慮して、放射電界（V / m）を予測することもできます。 これは、最大200MHzで1mの長さのケーブルに対して正確に作動します。 詳細については、参考文献3を参照してください。
外部EMIアンテナを使用する場合、2つの明確な目的があります。
事前コンプライアンステスト（上記の＃2）を設定したい場合は、EUTから3mまたは10m離れた位置にある校正済みEMIアンテナを使用して、電界（dBμV/ m）を記録することで計算できます。スペクトラムアナライザのdBμV読み取り値と、同軸損失、外部プリアンプゲイン（使用されている場合）、外部減衰器（使用されている場合）、およびアンテナ係数（製造元が提供するアンテナキャリブレーションから）を考慮に入れます。 この計算は、次の式を使用して、3mまたは10mの放射エミッションテスト制限と直接比較できます。
電界（dBμV/ m）= SpecAnalyzer（dBμV）– PreampGain（dB）+ CoaxLoss（dB）+ AttenuatorLoss（dB）+ AntFactor（dB）
この記事では、主に、実際に放射されている高調波レベルの一般的な特性評価と潜在的な修正のテストのために、間隔の狭いアンテナ（上記の＃1）を使用したトラブルシューティングの手順に焦点を当てます。 たとえば、ある高調波周波数で制限を3 dB超えている可能性がある場合、適切なマージンを得るために、その放射を6〜10dB減らすことを目標にする必要があることを意味します。
（図4） 原因のトラブルシューティング中に実際の放射エミッションを測定するための一般的なテストセットアップ
製品の高調波プロファイルが完全に特徴付けられたら、どの高調波が実際に放射するかを確認します。 これを行うには、テスト対象の製品またはシステムから少なくとも1m離れたアンテナを使用して、実際の放射を測定します。（図4） 通常、接続されているI / Oまたは電源ケーブルからの漏れ、およびシールドされたエンクロージャ内の漏れが発生します。 このデータを近接場および電流プローブのデータと比較します。 記載されている排出源の原因を特定できますか？
ケーブルを1つずつ取り外すことにより、ケーブル放射が主要な問題であるかどうかを判断してください。 テストとして、1つまたは複数のケーブルにフェライトチョークを取り付けることもできます。 近接場プローブを使用して、シールドされたエンクロージャの継ぎ目または開口部からも漏れが発生しているかどうかを判断します。
放出源が特定されたら、フィルタリング、接地、およびシールドに関する知識を使用して、問題のある放出を軽減できます。 製品の内側から外側のケーブルへの結合経路を決定してください。 場合によっては、層のスタックアップを最適化するか、リターンプレーンのギャップを横切る高速トレースを排除するなどして、回路基板を再設計する必要があります。 アンテナを少し離してリアルタイムで結果を観察することにより、ミーティゲーションのフェーズは早く進むはずです。
放射エミッションを引き起こす可能性のある製品設計領域は多数あります。
エミッション障害を引き起こす可能性のあるシステムおよびPCボードの設計上の問題の詳細については、リファレンスを参照してください。
ほとんどの放射イミュニティテストは、80〜1000 MHz（または、場合によっては2.7 GHz）で実行されます。 一般的なテストレベルは3または10V / mです。 軍事製品は、運用環境に応じて、50〜200 V / mに達する可能性があります。 ほとんどの製品の商用規格はIEC61000-4-3であり、そのテストセットアップは非常に複雑です。 ただし、いくつかの簡単な手法を使用すると、ほとんどの問題をすばやく特定して解決できます。
ハンドヘルド無線放射イミュニティの場合、通常、EUTの外部から開始し、Family Radio Service（FRS）トランシーバー（または同等のもの）などのライセンス不要のハンドヘルド送信機を使用して、弱点の領域を特定します。 これらの低電力無線機をテスト対象の製品またはシステムの近くに置くことで、多くの場合、障害を強制することができます。（図5）
送信ボタンを押したまま、EUT全体に無線アンテナを配置します。 これには、すべてのケーブル、継ぎ目、ディスプレイポートなどが含まれます。
（図5） ライセンスフリーの送信機を使用して障害を強制
特定の周波数帯域のみが影響を受けやすく、固定周波数のハンドヘルド無線機が効果的でない場合があることは非常に一般的です。 その場合、大きなサイズのHフィールドプローブが取り付けられた調整可能なRFジェネレーターを使用し、既知の障害周波数ですべての場所をプローブします。 また、内部ケーブルとPCボードを調べて、感度の高い領域を特定するのにも役立ちます。 （図6）のように、より小さな製品の場合は、より小さなHフィールドプローブを使用して、物理的高解像度を試してください。
ラボ品質の大型RFジェネレーターの代わりに、近接場プローブを備えたWindfreak SynthNV（または同等のもの）などの小型のUSB制御RFシンセサイザーも使用します。 SynthNVは、34 MHz〜4.4GHzで最大+ 19dBmのRF電力を生成できるため、適切に機能します。 これは、私のEMIトラブルシューティングキットにもうまく適合します。（ 図7）を参照してください。 推奨されるジェネレーターのリストは、参照1にあります。
（図6） RFジェネレータとHフィールドプローブを使用して感度の領域を決定
（図7） 小さな合成RFジェネレーターを使用して、プローブ先端の周囲に強力なRFフィールドを生成
静電放電テストは、IEC61000-4-2規格に記載されているテストセットアップを使用して実行するのが最適です。 これには、テストテーブルと特定の寸法のグランドプレーンが必要です。 EUTはテストテーブルの中央に配置されます。 通常、床タイルを銅またはアルミニウムの4 x 8フィートのシートに交換することをお勧めします。これは、既存のタイルのスペースにぴったり収まります。（図8） テストにはESDシミュレータが必要です。ESDシミュレータはさまざまなソースから入手できます。 参考文献1を参照してください。 古いKeyTekMiniZapを使用しています。これは比較的小さく、+ /-15kVに調整できます。 他にもいくつかの適切な（そしてより新しい）設計があります。
ESDテストポイントを特定する限り、テストはかなり複雑ですが、基本的には、空気排出と接触排出の2つのテストがあります。 オペレーターがEUTの外側に触れる可能性のあるすべての場所に排気を使用してください。 オペレーターが触れて放電する可能性のあるすべての露出金属には、接触放電を使用してください。 プラスとマイナスの両方の極性をテストします。 ほとんどの商用テストでは、4kVの接触放電と8kVの空気放電が必要です。 テストセットアップには、水平および垂直の結合面も含まれます。 接触放電チップをカップリング面に使用します。 これらのプレーンには、アースへの高インピーダンスの放電経路が必要です。 詳細および正確なテスト手順については、IEC規格を参照してください。
（図8） IEC6100-4-2に準拠したESDテストのセットアップ。 画像提供：キースアームストロング
（図9） 空気および接触排出チップを備えた典型的なESDシミュレータ。 最大+/- 15kVを生成可能
独自のEMIトラブルシューティングおよびコンプライアンス前のテストラボを開発することにより、商用テストラボに依存して余分な時間とコストの浪費、およびスケジュールの遅れを生じることなく、トラブルシューティングプロセスを社内に移動することで、時間と費用を節約できます。
高リスクのEMIテストのほとんどは、低コストの機器で簡単に実行できます。 自社施設でトラブルシューティングを実行することによるコスト削減は、最大で数十万ドル、数週間または数か月の納期短縮につながります。
EMIトラブルシューティング機器の推奨リスト– http://www.emc-seminars.com/EMI_Troubleshooting_Equipment_List-Wyatt.pdf
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