Compreender depuração de EMI com osciloscópios

O que é a EMI?

A sigla EMI significa interferência eletromagnética, emissões de radiofrequência não intencionais e indesejadas geradas por um dispositivo. Quase todos os aparelhos elétricos produzem várias emissões espúrias não intencionais. Testes de EMI são importantes, pois essas emissões podem causar problemas para outros dispositivos elétricos ou eletrônicos. Esses problemas podem incluir efeitos relativamente pequenos e meramente incômodos, como exibição pixelada em uma tela ou interferências de áudio. Mas, em alguns casos, emissões indesejadas já foram a causa de danos materiais ou até mesmo ferimentos em pessoas ou mortes. Portanto, os regulamentos e padrões de EMC existem com relação aos níveis aceitáveis de emissões de diferentes frequências.

A maioria dos fabricantes de dispositivos eletrônicos têm que testar a conformidade com esses padrões e os testes frequentemente são realizados em uma câmara blindada ou anecoica utilizando antenas e receptores especializados. Se forem detectados problemas, aterramento e blindagem adicional são as duas formas mais comuns de reduzir ou eliminar emissões indesejadas.

O que é a depuração de EMI?

Os testes de conformidade de EMI são realizados no chamado «campo distante», em que a radiofrequência se propaga pelo espaço mais ou menos como uma onda plana, cujos componentes magnéticos e elétricos têm aproximadamente a mesma magnitude. Dependendo da frequência de sinal, da antena de transmissão, etc., o campo distante começa a uma largura de banda ou duas a partir da fonte. Os testes de conformidade no campo distante mostram problemas existentes na forma de emissões acima de um determinado limite.

A depuração de EMI, por outro lado, é feita no "campo de proximidade" para determinar a localização do problema – ou seja, qual componente, fio, traço, etc. é responsável pela emissão indesejada. Para remover emissões indesejadas e assegurar a conformidade de um dispositivo, é importante saber qual parte do dispositivo está criando essas emissões.

O processo de depuração de EMI consiste em três etapas:

• Detectar e caracterizar as emissões
  quais são as frequências e níveis dos sinais indesejados? Alguma das emissões exibe um comportamento que pode ajudar a identificá-la? Por exemplo, elas são múltiplos inteiros de um sinal de clock?
• Localizar a fonte física das emissões
  quais componentes, fios, traços, etc. contribuem para essas emissões?
• Empregar várias técnicas de solução de problemas
  como aterramento e blindagem para remover ou pelo menos reduzir o nível dessas emissões.

As ferramentas mais comumente utilizadas em depuração de EMI são pontas de campo próximo e osciloscópios.

Pontas de campo próximo utilizadas para depuração de EMI

As pontas de prova de campo próximo são diferentes das pontas de prova passivas ou ativas utilizadas na maioria dos outros tipos de medições com osciloscópios. As pontas de campo próximo podem ser divididas em dois grupos principais: pontas de prova de campo magnético e pontas de prova de campo elétrico.

Em muitos casos, os níveis de emissão irradiada podem ser bem pequenos, portanto, algumas vezes, um pré-amplificador também é usado entre a ponta de prova e o osciloscópio. Se um pré-amplificador não for utilizado, é necessário ter um osciloscópio sensível. A seleção e o uso corretos de pontas de prova são decisivos para obter bons resultados durante a depuração de EMI .

Pontas de prova de campo magnético (pontas de prova de campo H)

Pontas de prova de campo H têm geralmente a forma de um círculo. A resposta máxima ocorre quando o círculo está a 90 graus com relação ao sinal ou quando o campo magnético está "passando através do círculo". A resposta mínima ocorre quando o círculo está paralelo ao sinal. Tipicamente, o círculo é girado durante a solução de problemas. Com relação ao tamanho do círculo, deve haver uma compensação entre resolução e sensibilidade:

• um círculo grande é mais sensível, porém tem menor resolução espacial; e
• um círculo menor é menos sensível, mas facilita identificar a localização da fonte do sinal.

Observe que, com um gesto de pinça, você pode criar uma ponta de prova de campo H rudimentar a partir de uma ponta de prova passiva normal simplesmente ao conectar o cabo à terra da ponta de prova à ponta da sonda.
Existe um segundo tipo não circular de ponta de prova magnética de campo próximo que tem resolução espacial muito alta. Ela também pode ser utilizada para determinar a corrente na superfície de circuitos integrados ou através de capacitores. O campo magnético é detectado na lacuna da ponta da sonda, indicada pela linha branca na imagem abaixo.

Pontas de prova de campo elétrico (pontas de prova de campo E)

As pontas de prova E têm sua resposta máxima quando são colocadas paralelamente ao campo elétrico medido. Para a maioria dos condutores, o campo E é perpendicular à superfície do condutor, de modo que as pontas de prova de campo E são mantidas perpendiculares aos condutores testados.

Pontas de prova de grandes áreas são utilizadas para medir campos elétricos emitidos a partir de estruturas com áreas de superfície maiores. A parte superior da ponta de prova é eletricamente blindada e são feitas medições utilizando o lado inferior da ponta de prova.

As menores pontas de prova E de campo próximo são blindadas para suprimir campos de outras estruturas adjacentes. Essas pontas de prova têm uma seletividade espacial muito alta: geralmente menos de um milímetro. Isso significa que elas frequentemente podem ser utilizadas para isolar a localização até um único traço estrito em uma placa de circuito impresso.

Osciloscópios utilizados em domínios de frequência

Com relação à utilização de osciloscópios em depurações de EMI , um aspecto importante é que os osciloscópios são normalmente utilizados para visualizar amplitude, ou seja, tensões no domínio do tempo.
Para depuração de EMI, o nível de emissões indesejadas em função da frequência é considerado. Além disso, são necessárias medições no domínio da frequência . A conversão do domínio do tempo para o domínio de frequência é feita utilizando a transformada rápida de Fourier (FFT). A maioria dos modernos osciloscópios digitais oferecem suporte para FFT, apesar de o desempenho e a funcionalidade poderem variar significativamente entre os diferentes osciloscópios. O modo FFT em osciloscópios geralmente é muito semelhante à operação de analisadores de espectro, como configuração de frequência central, span ou resolução de largura de banda.
Além da operação básica de FFT, funções adicionais úteis incluem espectrogramas, triggers de máscara de frequência, e listas de pico.

Espectrogramas

Uma exibição de FFT exibe a representação de domínio de frequência padrão de sinais como potência versus frequência. Um espectrograma adiciona a dimensão de tempo, em outras palavras, é feita a exibição de potência versus frequência versus tempo. Em um espectrograma, o eixo y representa o tempo enquanto a potência é mapeada em cores. Na maioria dos esquemas de cores padrão de espectrogramas, a maior potência é indicada em cores que se aproximam do vermelho e menores potências são indicadas em cores que se aproximam do roxo.

Observe que a tabela ou o mapeamento de cores utilizado é frequentemente ajustado para mostrar sinais de interesse mais claramente ou simplesmente baseados nas preferências de usuário. Espectrogramas são valiosos, pois eles ajudam a visualizar aspectos que podem ser difíceis de ver, como a variação de sinais ao longo do tempo ou sinais contínuos em nível baixo próximos ao piso de ruído.

Disparo por máscara

Algumas questões de EMI envolvem sinais espúrios indesejados continuamente presentes, mas muitas questões envolvem sinais intermitentes difíceis de detectar e/ou analisar. Uma forma de resolver esse último tipo de questões é ativar o disparo na potência que exceda um limite definido pelo usuário em uma determinada frequência ou por uma determinada faixa de frequências. Isso é diferente do triggering "normal" de osciloscópios com base nas alterações de tensão ao longo do tempo. Um chamado «disparo de máscara de frequência» permite ao usuário definir uma máscara de frequência versus potência. Quando essa máscara é violada, o disparo para a aquisição do osciloscópio e os dados capturados podem ser analisados em detalhes.

Lista de picos

Na depuração de EMI, maiores níveis ou sinais de "pico" são frequentemente os mais interessantes ou os mais importantes. Isso ocorre, em parte, pois esses sinais podem violar limites regulatórios e, também, pois maiores sinais de amplitude tendem a causar mais problemas do que menores sinais de amplitude. Identificar "picos" em um espectro é muito importante. Esses picos podem ser encontrados de diversas formas, tais como inspecionar manualmente o gráfico e/ou utilizar cursores ou marcadores. Ambas as alternativas são demoradas e com alta probabilidade de erros. Os osciloscópios mais modernos têm uma função de listagem de pico ou pesquisa de pico que irá automaticamente retornar uma lista dos maiores sinais de amplitude e suas respectivas frequências.