Elektromagnetische Interferenz (EMI) in 3 Schritten erkennen

Abgestrahlte Emissionen, die meistens als elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet werden, werden sorgfältig reguliert , um einen zuverlässigen Betrieb und die Sicherheit für Benutzer elektrischer und elektronischer Geräte zu gewährleisten. Vorschriften begrenzen die zulässigen Strahlungsemissionen, und um ihre Produkte innerhalb dieser Grenzen zu halten, investieren Entwickler viel Zeit und Mühe. Ein Grund, warum EMI Herausforderungen darstellt, ist die Tatsache, dass Emissionen normalerweise ein Problem des Systemdesigns sind.

Elektromagnetische Interferenz (EMI) definieren

Bei EMI (auch Hochfrequenzstörung oder RFI genannt) werden Produkte betrachtet, die bestehende Radio-, Fernseh- oder andere Kommunikationssysteme, wie z.B. Mobiltelefone, stören. Außerhalb der USA umfasst es auch die Immunität gegenüber externen Energiequellen, wie elektrostatische Entladung und Stromleitungstransienten. Dies gilt normalerweise für Handels-, Verbraucher-, Industrie-, medizinische und wissenschaftliche Produkte. Abgestrahlte Emissionen werden normalerweise in einem Prüfabstand von 3 m oder 10 m gemessen.

Ursachen elektromagnetischer Störungen 

Es gibt typischerweise drei Hauptfaktoren, die EMI verursachen: eine Energiequelle, die harmonische Signale erzeugt, Antennen-ähnliche Strukturen wie ein E/A- oder Stromkabel, das die Oberschwingungen abstrahlt, und einen Kopplungspfad, der die beiden verbindet. Es klingt zwar einfach, die Energiequelle, den Kopplungspfad oder die Antenne wegzunehmen und die EMI zu beseitigen, aber ganz so einfach ist es nicht. Allerdings können moderne Oszilloskope eine wichtige Rolle bei der Fehlersuche bei EMI-Problemen spielen (Abb. 1).

Abbildung 1. Moderne Oszilloskope können mit Nahfeldsonden verwendet werden, um EMI-Quellen aufzuspüren.

Während die meisten Entwickler Spektrumanalysatoren als das beste Werkzeug zum Debuggen von EMI betrachten, sind die heutigen schnellen Oszilloskope mit fortschrittlicher Triggerung und Frequenzbereichsanalyse möglicherweise am besten geeignet, um EMI-Analysenim Zeit- und Frequenzbereich zu kombinieren. Ein wichtiger Anhaltspunkt bei der Charakterisierung der EMI einer Schaltung ist, ob der Oberwellenanteil breitbandig oder schmalbandig ist. Breitbandige Oberschwingungen stammen größtenteils von digitalem Busrauschen oder DC/DC-Wandlern und erscheinen als breite Spitzen im Frequenzspektrum. Schmalband-EMI wird von USB- oder Ethernet-Prozessortaktgebern erzeugt und erscheint im Allgemeinen als schmale, harmonisch zusammenhängende Reihe von Spitzen.

3 Schritte zur Identifizierung der EMI-Quellen

Viele Produktdesigner sind möglicherweise damit vertraut, wie Nahfeldsonden verwendet werden können, um EMI-Hotspots auf Leiterplatten und Kabeln zu identifizieren, wissen aber möglicherweise nicht, was sie als nächstes mit diesen Informationen tun sollen. Am Beispiel von Tektronix Spectrum View, das auf Mixed-Signal-Oszilloskopen der Serien 4, 5 und 6 der Serie B zu finden ist, wird hier ein dreistufiger Prozess zum Identifizieren von Emissionsfehlern beschrieben:

Schritt Eins – Verwenden Sie Nahfeldsonden – entweder H- oder E-Feld – um Energiequellen und charakteristische Emissionsprofile auf der Leiterplatte und den internen Kabeln zu identifizieren. Zu den Energiequellen gehören im Allgemeinen Taktoszillatoren, Prozessoren, RAM, D/A- oder A/D-Wandler, DC-DC-Wandler und andere Quellen, die hochfrequente digitale Signale mit schnellen Flanken erzeugen. Wenn das Produkt ein abgeschirmtes Gehäuse enthält, prüfen Sie es auf undichte Nähte oder andere Öffnungen. Erfassen Sie das Emissionsprofil der einzelnen Energiequellen.

Schritt Zwei – Verwenden Sie eine Stromsonde, um hochfrequente Kabelströme zu messen. Denken Sie daran, dass Kabel am wahrscheinlichsten HF-Energie abstrahlen. Bewegen Sie die Sonde entlang des Kabels vor und zurück, um die höchsten Oberschwingungsströme zu maximieren. Erfassen Sie das Emissionsprofil der einzelnen Kabel.

Schritt Drei – Verwenden Sie eine nahe gelegene Antenne (normalerweise eine Testentfernung von 1 m), um zu bestimmen, welche der harmonischen Signale tatsächlich abgestrahlt werden (Abb. 2). Dazu kann eine nicht kalibrierte Antenne verwendet werden, die an einen MSO der Serie 4/5/6 von Tektronix angeschlossen ist und mindestens 1 m vom zu testenden Produkt oder System entfernt ist, um die tatsächlichen Emissionen zu messen.

Abbildung 2. Einige potenzielle Antennen und Zubehör.

Sobald die Emissionsquellen in einem oder mehreren dieser drei Schritte identifiziert wurden, können Sie Ihr Wissen über Filterung, Erdung und Abschirmung nutzen, um die problematischen Emissionen zu mindern. Versuchen Sie, den Kopplungspfad vom Inneren des Produkts zu allen externen Kabeln zu bestimmen. In einigen Fällen muss die Leiterplatte möglicherweise neu gestaltet werden, etwa indem der Schichtaufbau optimiert oder Hochgeschwindigkeitsspuren eliminiert werden, die Lücken in Rückführungsebenen kreuzen. Durch die Beobachtung der Ergebnisse in Echtzeit mit einer in einiger Entfernung befindlichen Antenne sollte die Fehlerbehebungsphase schnell vontatten gehen, wenn die Multidomain-Analysetools in den MSO-Oszilloskopen der Tektronix 4/5/6-Serie verwendet werden.

Laden Sie für weitere Einzelheiten zur EMI-Fehlerbehebung den Anwendungshinweis – Schrittweise EMI-Fehlerbehebung mit MSO-Oszilloskopen der Serien 4, 5 und 6herunter.

FAQs zu elektromagnetische Inferferenz

Was ist elektromagnetische Interferenz (EMI)?

Die elektromagnetische Interferenz bezeichnet unerwünschte Störungen, die elektromagnetische Wellen erzeugen und die normale Funktion elektrischer Geräte stören können. Diese können von einer Vielzahl von Quellen stammen, einschließlich Handys, Radiosendern und Elektrogeräten.

Warum ist elektromagnetische Interferenz ein Problem?

Elektromagnetische Interferenz kann die Funktionsweise von elektronischen Geräten beeinflussen, Kommunikationssysteme stören und sogar Sicherheitsrisiken in kritischen Systemen darstellen.

Was kann elektromagnetische Interferenz verursachen?

Elektromagnetische Interferenz kann durch verschiedene Quellen verursacht werden. Dazu gehören mitunter Schaltnetzteile, digitale Schaltungen, Funkfrequenzgeräte und elektromechanische Geräte.

Was sind EMI-Tests?

EMI-Tests sind spezialisierte Prüfungen, um die elektromagnetischen Emissionen eines Geräts zu messen und sicherzustellen, dass sie innerhalb der festgelegten Grenzen liegen.