偵測混合訊號電源設計中的偶發性頻譜異常
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 4 分鐘
運用 R&S®MXO 5 示波器解決複雜電源設計中的傳導放射問題
除了核心功能外，電源電子電路通常必須提供其他基本功能，例如與子模組的介面連接，以滿足整體系統設計要求，因此，電源設計會將匯流排通訊與微控制器整合在一起，這可能導致設計變得更加複雜，進而對傳導放射量測產生負面影響；有時，這些輔助功能所產生的放射性雜訊並非持續發生，而是偶爾出現，這使得要定位並隔離其根本原因變得極具挑戰性，若要有效率地找到這類偶發事件，具備極高速 FFT（Fast Fourier Transform；快速傅立葉變換）分析能力的儀器是不可或缺的。
測試任務
在電源設計中，例如：用於有刷直流馬達的馬達驅動器，類比與數位電路會共存於同一塊印刷電路板上，設計者必須考量這種複雜性，特別是針對電源線上出現的傳導放射問題，如果印刷電路板設計不當，微控制器的時脈訊號或 SPI（Serial Peripheral Interface；串列周邊介面） 等匯流排通訊都可能導致放射性雜訊；有時匯流排活動並非持續進行，它們通常是由外部系統控制器啟動，在量測電源線上的傳導放射時，這些匯流排活動經常會在頻率頻譜中引起偶發事件。
示波器是開發階段偵錯傳導放射的標準儀器，然而，對於偵測頻譜中極短且不頻繁的事件，使用標準 FFT 運算的示波器存在其限制，這主要是因為在顯示 FFT 頻譜前，需要耗費大量的時間進行運算，這可能導致在計算過程中錯過罕見、短暫且偶發的事件，因此，若要精準定位並隔離根本原因，更快的 FFT 效能是至關重要的。
Rohde & Schwarz 解決方案
R&S®MXO 5 系列示波器非常適合這項充滿挑戰的任務，因為它能精確量測頻譜，並為傳導放射提供快速且深入的分析。
該機種具備快速 FFT 能力，讓使用者能夠以高達 45,000 FFT/s 的速度擷取頻譜，結合其低雜訊類比前端，使用者可以非常有效率且精確地偵測到罕見事件。
此外，FFT 運算獨立於時域設定，這對於 EMI（Electromagnetic Interference；電磁干擾）偵錯特別有利，在標準 FFT 運算中，若要提高解析頻寬，通常會顯著降低 FFT 更新率，此外，也可以使用近場探棒來定位系統中的雜訊來源，而這同樣需要快速的 FFT 效能，在量測過程中，必須使用人工電源網路（AMN；Artificial Mains Network），以確保量測結果的穩定性與可重複性。
應用範例
本應用範例使用一個整合了半橋式驅動器與有刷直流馬達的完整裝置，展示了傳導放射頻譜中出現的偶發事件，該待測物（參見圖 1）提供兩個半橋的電源部分，並可透過 SPI 匯流排進行配置，一個微控制器連接到此匯流排，用於監控驅動器狀態，並控制馬達的速度與方向，此外，一個 CAN 匯流排用於與系統外部的模組進行通訊。
尋找根本原因
此程序可分為三個步驟：
步驟 1： 依照所需標準（例如 CISPR25），量測傳導放射，並啟用餘暉模式（Persistence），此模式能凸顯任何罕見的異常訊號。
步驟 2： 使用尺寸合適的電氣與磁性近場探棒，尋找並定位根本原因（找出與特定電路板功能相關的放射性雜訊）。
註： 應保持餘暉模式啟用，以便觀察非週期性事件。
步驟 3： 確認頻譜與特定功能之間的關聯後，關閉無限餘暉模式；並針對極可能為根本原因的訊號進行觸發（此量測將驗證假設是否正確，否則需重複步驟 2）。
量測範例
圖 2 顯示了有刷馬達應用中，電源線上的傳導放射量測結果，快速 FFT 結合餘暉模式，能偵測因整個頻譜上高強度放射性雜訊所引起的罕見事件，這種雜訊封包（淺黃色區域，以白色箭頭標示）顯示出由寬頻雜訊源引起的典型特徵，例如：匯流排通訊或時脈訊號。
完成傳導放射量測後，使用近場探棒，可以在印刷電路板上、靠近 SPI 資料軌道及微控制器附近，找到具有類似特性的放射性雜訊，因此，可以推斷 SPI 活動很可能是根本原因。
最後一個步驟（參見圖 3）可以提供驗證，在本次量測中，啟用一般觸發模式，並使用被動式探棒量測 SPI 通訊埠（通道 3），此時頻譜同步顯示；結果顯示，當控制器與接收器之間的 SPI 通訊開始（觸發事件），顯示器上便會立即出現高強度的寬頻放射性雜訊，了解這些細節後，即可定義相關措施，以限制這些由 SPI 匯流排活動所引起，並反射至電源線傳導放射中的雜訊。
總結
R&S®MXO 5 系列示波器非常適合驗證混合訊號應用中的傳導放射，特別是當偶發性放射性雜訊可能發生時。其卓越的快速 FFT 效能（45,000 FFT/s），結合低雜訊類比前端，讓使用者能夠在混合訊號電源設計的頻率頻譜中，找到任何罕見的異常現象。
