【经验】使用Keysight频谱分析仪和近场探头进行电路板级的EMC辐射干扰测试
1、遇到问题
在铁路机车行业EMC标准中，电气设备的辐射干扰必须抑制在一定值以下，以免对其他设备造成干扰谐波，以及防止对人体造成损害。
在一次进行射频骚扰试验中，测试一块DIO数字量电路板时，遇到了EMC辐射干扰超标的问题。在项目中，DIO数字量板采用MOSFET作为DIO输出的功率开关管，DIO数字量电路板所需执行的射频骚扰试验和标准如图1和图2所示。
图1 射频骚扰试验图
图2 射频骚扰对外干扰的限值
按照射频骚扰试验执行标准，传导干扰测试在0.15-30MHz范围测试时，干扰幅值小于99dBμV；辐射干扰测试在30M-1GHz范围测试时，干扰幅值小于80dBμV，否则就会对外界设备和人体造成EMC电磁干扰影响。在实际实验测试过程中，DIO数字量板辐射干扰在1G-3GHz测试时，辐射量达到了100dBμV/m，违反了行业标准，因此必须对电路板进行整改。
2、测试和分析问题
EMC电磁干扰问题，看不见摸不着，很难进行判定和整改，必须采用专门的设备才能测试。实际电路中的EMC干扰主要包括差模干扰信号和共模干扰信号，在DIO数字量板辐射干扰测试范围是30M-1GHz，因此必须选用覆盖此频率范围的频谱分析仪和近场探头才能测试出干扰。
KEYSIGHT 的N9322频谱分析仪可测量器件或系统的频率功率特征，还可用于测试回波损耗、插入损耗和电压驻波比 (VSWR)，配备专用的近场探头N9311X-100，可用来测试数字量板上的哪里器件超过EMC辐射干扰范围。N9322C频率测试的范围是5 MHz 至 7 GHz，分辨率达到1 Hz；N9311X-100 配备4个近场探头组，覆盖 30 MHz 至 3 GHz 的频率范围，可以完全覆盖DIO数字量电路板的差模和共模干扰信号测试。
图3 频谱分析仪和近场探头
测试过程中，先使用N9311X-100 配备4个近场探头组中尺寸较大、灵敏度较高的探头来执行 EMIC测试，捕获和确定发射源的大致区域；然后使用尺寸较小但分辨率较高的探头来确定发射源的准确位置，通过磁场探头的感应元件来定位这些发射源。在测试数字量电路板的过程中，测试到MOSFET功率输出位置时，发现EMC干扰波形存在尖峰如图4所示，说明MOSFET功率开关过程中造成了辐射干扰过大，导致射频骚扰试验不通过。
图4 频谱分析仪测试波形
3、解决问题
通过Keysight 的N9322频谱分析仪配备近场探头N9311X-100，测试数字量电路板，发现功率器件MOSFET开关过程存在电压尖峰，导致了辐射干扰过大。找到问题点，解决问题的思路就很清晰了。
图5 DIO数字量板并联电容图
解决方案是：通过在MOSFET开关管输出端并联CBB电容，抑制功率器件开关过程的尖峰，吸收了开关过程的能量损耗，减少EMC辐射干扰信号。最终进行射频骚扰试验，按照最新整改，DIO数字量板通过试验。
通过使用Keysight的频谱分析仪N9322C和近场探头N9311X-100进行电路板级的EMC辐射干扰测试， 通过各种近场探头定位和测试可能的发射源以及进行故障的诊断，给项目测试带来很大方便。
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