Eine Einführung in die EMI- und EMV-Messung von Netzteilen - Teil 2: Abgestrahlte EMI

Teil 1 dieser Blogserie befasste sich hauptsächlich mit der Messung leitungsgeführter elektromagnetischer Interferenz (EMI). Teil 2 befasst sich mit der Messung der abgestrahlten EMI.

Abgestrahlte EMI ist unerwünschte elektromagnetische Energie, die als transversale elektromagnetische Wellen oder über kapazitive oder induktive Kopplung in den freien Raum übertragen wird. Leiterplatten, die zeitlich veränderliche Signale übertragen, strahlen elektromagnetische Energie in den Raum ab. Jede Leiterbahn einer Leiterplatte ist eine veritable Antenne, die Signale senden oder empfangen kann. Schaltnetzteile mit großen Schaltspannungen und -strömen neigen bei unsachgemäßer Auslegung dazu, EMI zu erzeugen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zu den in einem Schaltnetzteil auftretenden Signalen gehören breitbandige Spannungs- und Stromsignale mit hoher Flankensteilheit sowie Schmalbandsignale wie die mit der Schaltfrequenz verbundenen Signale und oszillierende Signale wie Klingeln. (Bildquelle: Art Pini)

Die Prüfung der abgestrahlten EMI erfordert die Messung der elektromagnetischen Feldstärke der EMI-Signale, die von dem zu prüfenden Gerät (DUT) erzeugt werden und die mit den Schaltspannungen und -strömen mit hoher Flankensteilheit einhergehen.

Die Konformitätsprüfung der abgestrahlten EMI wird in einem schalltoten abgeschirmten Raum durchgeführt, der die Signale vom DUT isoliert (Abbildung 2). Die Messantenne wird in einem bestimmten Abstand - in der Regel ein Meter - vom DUT gehalten. Üblicherweise werden bikonische und logarithmisch-periodische Antennen verwendet.

Abbildung 2: Die EMI-Konformitätsprüfung findet in einem abgeschirmten, schalltoten Raum statt, in dem das DUT von externer HF-Strahlung isoliert ist. (Bildquelle: Art Pini)

Das DUT befindet sich auf einem Tisch über einer Massefläche. Diese speziellen Emissionen neigen dazu, gerichtet zu sein, daher befindet sich das DUT auf einem Drehtisch, um eine Messantenne mit einer guten Sichtverbindung zu haben. Die Antenne ist ebenfalls beweglich und in der Höhe verstellbar. Bei der Prüfung wird die Ausrichtung, die die höchste gemessene Reaktion hervorruft, notiert und als Grundlage für die Konformitätsprüfung verwendet. Die Verkabelung zum DUT ist Teil der Prüfung und wird von einem Kabelbaum umschlossen.

Das Prüflabor scannt das betreffende Frequenzband mit einem Spektrumanalysator oder einem EMI-Empfänger und sucht nach Emissionen, die nahe an den Prüfgrenzwerten liegen. Dies gilt für alle DUT-Ausrichtungen und Antennenpolarisationen. Das Prüflabor konzentriert sich auf jede dieser Emissionen und quantifiziert die Amplitude der Feldstärke.

Die Ergebnisse einer typischen Emissionsmessung an einem 10-Ampere-(A)-Automobil-Abwärtswandler von Texas Instruments LM61495Q3RPHRQ1 sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Abgebildet ist die typische Emissionsmessung gemäß CISPR 25 Klasse 5 für den 10-A-Abwärtswandler LM61495Q3RPHRQ1. Die Prüfgrenzen für die Spitzen-, Quasi-Spitzen- und durchschnittliche Detektorreaktion sind aufgezeichnet. Dargestellt sind die erfassten Daten für Spitzenwerte (blau) und gemittelte (violett) Messwerte. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Spezifikation enthält Prüfgrenzen für Spitzen-, Quasi-Spitzen- und durchschnittliche Detektorreaktionen. Die Quasi-Spitzenreaktion ist eine verarbeitete Reaktion, die Amplitudenspitzen nach der Häufigkeit ihres Auftretens gewichtet. Die gemessenen Spitzen- und Durchschnittsreaktionen werden aufgezeichnet. Jede Reaktion muss Amplituden unter der entsprechenden Prüfgrenze haben, um die Anforderungen zu erfüllen.

Da die Konformitätsprüfung ein kostspieliger und zeitaufwändiger Prozess ist, führen die meisten Designer die Vorprüfung der Konformität außerhalb des abgeschirmten Raums mit Nahfeldmessungen durch. Nahfeldmessungen werden innerhalb eines Fußes (30,5 cm) vom DUT mit Nahfeldsonden, wie dem T3NFP3-Kit von Teledyne LeCroy, durchgeführt. Nahfeldsonden messen entweder elektrische oder magnetische Felder (Abbildung 4). Außerdem sind Nahfeldsonden im Gegensatz zu den meisten Sonden nicht kalibriert und werden für relative Messungen und zur Lokalisierung von Emissionsquellen verwendet.

Abbildung 4: Das Nahfeldsonden-Kit T3NFP3 von Teledyne LeCroy enthält drei magnetische Sonden und eine elektrische Feldsonde. (Bildquelle: Teledyne LeCroy)

Das Nahfeldsonden-Kit T3NFP3 besteht aus drei magnetische Sonden und einer elektrischen Feldsonde. Diese Sonden fungieren als Antennen mit großer Bandbreite, die Strahlungsemissionen im Bereich von 300 Kilohertz (kHz) bis 3 Gigahertz (GHz) erfassen. Die magnetischen Sonden verwenden eine Schleifenstruktur und sind in Durchmessern von 20, 10 und 5 Millimetern (mm) erhältlich. Die größeren Schleifen haben eine höhere Empfindlichkeit und sind ideal für die Entdeckung von abgestrahlten Signalen. Die kleineren Schleifen sind weniger empfindlich, aber geometrisch präziser, um die Quelle der Strahlung zu finden. Die Empfindlichkeit der Sonde ist am größten, wenn das Magnetfeld im rechten Winkel zur Schleifenebene steht. Diese Winkelempfindlichkeit wird verwendet, um die Richtung der Quelle zu bestimmen.

Die Sonde für das elektrische Feld ist eine Monopolantenne, und es ist wichtig, diese Sonde senkrecht zur Messebene auszurichten. Die Sonde für das elektrische Feld hilft bei der Identifizierung von Hochspannungsquellen sowie von unterminierten Quellen.

Der B&K Precision PR262 ähnelt dem T3NFP3, verfügt aber zusätzlich über einen 40-dB-Vorverstärker zur Erkennung von Signalen mit niedrigem Pegel (Abbildung 5). Er deckt einen Frequenzbereich von 9 kHz bis 3,2 GHz ab.

Abbildung 5: Der PR262-Satz ähnelt dem T3NFP3, verfügt aber zusätzlich über einen 40-dB-Vorverstärker zur Erkennung von Signalen mit niedrigem Pegel. (Bildquelle: B&K precision)

Der Ausgang der Nahfeldsonde wird mit dem 50-Ohm-Eingang des Messinstruments verbunden. Der isolierte Sondenkopf wird über die Leiterplatte geführt, während die Reaktion auf die Anzeige einer Strahlungsquelle überwacht wird. Sowohl magnetische als auch elektrische Feldsonden werden verwendet, um die Quelle des abgestrahlten EMI-Signals zu überprüfen.

Fazit

Da jede Leiterbahn auf einer Leiterplatte eine veritable Antenne ist, die EMI abstrahlt, ist es von entscheidender Bedeutung, eine Vorprüfung der Konformität mit Nahfeldsonden wie die T3NFP3 und PR262 durchzuführen. Diese können dazu beitragen, die EMI-Quelle schnell zu erkennen und zu isolieren, so dass sie entschärft werden kann, bevor eine formelle - und teure - Konformitätsprüfung durchgeführt wird.