Entendiendo el proceso de depuración de EMI con osciloscopios

¿Qué es EMI?

EMI significa interferencia electromagnética, es decir, emisiones de radiofrecuencia no intencionales ni deseadas generadas por un dispositivo. Casi todo lo que funciona con electricidad produce emisiones no intencionadas o no esenciales. Las pruebas de EMI son importantes porque estas emisiones pueden causar problemas a otros dispositivos eléctricos o electrónicos. Estos problemas pueden oscilar desde efectos relativamente menores y simplemente fastidiosos como pixelación en una pantalla o artefactos de audio. En algunos casos las emisiones no deseadas pueden provocar daños físicos o incluso lesiones y en el peor de los casos la muerte de una persona. Por lo tanto, existen estándares y regulaciones de compatibilidad electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés) con respecto a los niveles aceptables de emisiones en frecuencias diferentes.

La mayoría de fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos tienen que probar el cumplimiento de estos estándares. Estas pruebas frecuentemente se realizan en una cámara blindada o anecoica usando antenas y receptores especializados. Cuando se detectan problemas de emisiones no deseadas, hay dos formas de reducirlos o eliminarlos: una conexión o blindaje adicional.

¿Qué es el proceso de depuración de EMI?

El ensayo de conformidad de EMI se realiza en el denominado «campo lejano», donde la RF se propaga a través del espacio más o menos como una onda plana cuyos componentes eléctricos y magnéticos tienen aproximadamente la misma magnitud. Dependiendo de la frecuencia de señal, la antena transmisora, etc., el campo lejano empieza una longitud de onda o dos desde la fuente. El ensayo de conformidad en el campo lejano muestra los problemas existentes en la forma de emisiones por encima de un umbral dado.

Para determinar la ubicación del problema, el proceso de depuración de EMI se realiza en el «campo cercano», es decir, qué componente, bien sea cable, traza, etc., es responsable de la emisión no deseada. Para remover las emisiones no deseadas y dar la conformidad a un dispositivo, es importante saber que parte del dispositivo está produciendo estas emisiones.

El proceso de depuración de EMI consiste de tres etapas:

• Detectar y caracterizar las emisiones
  ¿Cuáles son las frecuencias y los niveles de las señales no deseadas? ¿Alguna de ellas muestra algún tipo de comportamiento que puede ayudar a identificarlas? Por ejemplo, ¿son ellas múltiples enteros de una señal de reloj?
• Localizar la fuente física de la emisión:
  ¿qué componentes, cables, trazas contribuyen con estas emisiones?
• Emplear varias técnicas para remediar las emisiones
  no deseadas como puesta a tierra y blindaje para remover o al menos reducir el nivel de estas.

Las herramientas más comunes que se usan en el proceso de depuración de EMI son las sondas de campo cercano y los osciloscopios.

Sondas de campo cercano que se utilizan para el proceso de depuración de EMI

Las sondas de campo cercano son diferentes a las sondas pasivas o activas que se utilizan en otros tipos de mediciones de osciloscopios. Las sondas de campo cercano pueden dividirse en dos grupos principales: sondas de campo magnéticas y sondas de campo eléctricas.

En muchos casos, los niveles de interferencia emitidos pueden ser bastantes pequeños, entonces en algunas ocasiones, se utiliza un preamplificador entre la sonda y el osciloscopio. Si no se usa un amplificador, entonces es necesario un osciloscopio sensible. La selección y uso correctos de la sonda es de suma importancia para obtener buenos resultados durante el proceso de depuración de EMI .

Sondas de campo magnéticos (sondas de campo H)

Las sondas de campo H se encuentran normalmente en la forma de un bucle. La respuesta máxima ocurre cuando el bucle se encuentra a 90 grados de la señal o cuando el campo magnético esta «atravesando el bucle». La respuesta mínima ocurre cuando el bucle está en paralelo con la señal. Normalmente, el bucle se rota durante la depuración. Con respecto al tamaño del bucle, hay una compensación entre la resolución y la sensibilidad:

• Un bucle más grande es más sensible, pero tiene una menor resolución espacial
• Un bucle más pequeño es menos sensible, pero es más fácil de estrechar la ubicación de la fuente de la señal

Tenga en cuenta que, si no hay más remedio, se puede crear una sonda de campo H cruda de una sonda pasiva normal, simplemente se conecta el cable de tierra de la sonda a punta de la sonda.
Existe un segundo tipo de sonda de campo cercano magnética sin bucle que tiene una resolución espacial muy alta. Este tipo de sonda puede usarse para determinar la corriente en la superficie de los IC a través de condensadores. El campo magnético se detecta en la brecha en la punta de la sonda, indicado por una línea blanca en la imagen inferior.

Sondas de campo eléctrico (sondas de campo E)

Las sondas de campo E tienen su respuesta máxima cuando se colocan en paralelo con el campo eléctrico medido. Para la mayoría de conductores, el campo E es perpendicular a la superficie del conductor, por lo tanto, las sondas de campo E se mantienen perpendiculares a los conductores probados.

Las sondas de área grande se usan para mediciones de campos eléctricos emitidos desde estructuras con áreas de superficie más grande. La punta de la sonda está eléctricamente blindada y las mediciones se realizan usando el lado inferior de la sonda.

Las sondas E de campo cercano más pequeñas están blindadas para suprimir campos de otras estructuras adyacentes. Estas sondas tienen una selectividad espacial muy alta: normalmente, menos de un milímetro. Esto significa que ellas a menudo se utilizan para aislar la ubicación causando una sola traza estrecha en una tarjeta impresa.

Osciloscopios utilizados en el dominio de la frecuencia

Con respecto al uso de los osciloscopios en el proceso de depuración de EMI , un punto importante es que los osciloscopios normalmente se usan para visualizar la amplitud, es decir, los voltajes en el dominio del tiempo.
Para el proceso de depuración de EMI, se considera el nivel de emisiones no deseadas en función de la frecuencia. Por lo tanto, es necesario realizar mediciones en el dominio de la frecuencia . La conversión de dominio del tiempo a dominio de la frecuencia se realiza usando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Los osciloscopios de última generación tienen soporte FFT, aunque el rendimiento y la funcionalidad pueden variar en gran medida entre osciloscopios diferentes. El modo FFT en un osciloscopio usualmente es muy similar en funcionamiento al analizador de espectro, por ejemplo, en como configurar la frecuencia central, el intervalo de frecuencia y el ancho de banda de resolución.
Además de la operación básica de la FFT, las funciones adicionales muy útiles incluyen espectrogramas, disparadores por máscara de frecuencia, y listas de picos.

Espectrogramas

Una visualización FTT muestra la representación de las señales en el dominio de frecuencia patrón como la potencia en función de la frecuencia. Un espectrograma adiciona dimensión de tiempo, en otras palabras, se muestra la potencia en función de la frecuencia en función del tiempo. En un espectrograma, el eje Y es el tiempo mientras que la potencia se mapea en colores. En la mayoría de esquemas de color de los espectrogramas de configuración predeterminada, la potencia más alta se indica cuando se mueve hacia el color rojo y las potencias más bajas se indican cuando se mueve hacia el color púrpura.

Tenga en cuenta que la tabla de colores o el mapeado usado muy a menudo se ajusta para mostrar con más claridad las señales de interés o simplemente se basa en las preferencias del usuario. Los espectrogramas son valiosos porque ayudan a visualizar cosas que de otra manera serían difíciles de ver como señales que varían en el tiempo o señales continuas de bajo nivel cercanas al ruido de fondo.

Disparador por máscara de frecuencia

Algunos problemas de EMI involucran señales no deseadas o interferentes que están continuamente presentes, pero muchos otros problemas involucran señales intermitentes que son difíciles de detectar y/o analizar. Otra manera de resolver estos tipos de problemas es disparar una potencia que exceda un umbral definido por el usuario en una frecuencia dada o sobre un rango de frecuencia dado. Esto es diferente al disparo «normal» del osciloscopio basado en cambios de voltaje con el paso del tiempo. Un denominado disparador por máscara de frecuencia permite al usuario definir una potencia vs una máscara de frecuencia. Cuando se viola esta máscara, el disparador detiene la adquisición de datos del osciloscopio y estos pueden se analizados detalladamente.

Lista de picos

En el proceso de depuración de EMI, las señales de niveles más altos o «de pico» son a menudo lo más interesante o lo más importante. En parte porque estas señales pueden violar umbrales regulatorios y en parte porque estas señales de amplitud más elevada tienden a causar más problemas que las señales de amplitud más baja. Identificar los «picos» dentro de un espectro es muy importante. Estos picos se pueden encontrar de varias maneras, como al inspeccionar manualmente el gráfico y/o al usar cursores o marcadores. Ambas consumen mucho tiempo y son propensas a errores. Los osciloscopios de vanguardia tienen una búsqueda de picos o una función de lista de picos que automáticamente devolverá una lista de las señales de amplitud más altas y sus respectivas frecuencias respectivas.