羅德與施瓦茨示波器在混合信號電源設計的應用

電力電子電路不僅要具備主要功能，通常還需提供其他重要功能，例如能夠連接子模塊以滿足系統設計要求。因此，電源設計涉及和微控制器的總線通信。設計容易變得更加復雜，可能會對傳導發射測量造成不利影響。有時候，這些輔助功能會產生偶發性發射，導致難以查明和隔離發射源。具備快速 FFT 分析功能的儀器能夠有效查找這些偶發性事件。

R&S?MXO 5 系列示波器

您的任務

在有刷直流電機的電機驅動器等電源設計中，模擬和數字電路在同一個印刷電路板上共存。設計人員必須考慮這種復雜問題，尤其是電源線上的傳導發射。如果印刷電路板設計不正確，微控制器的時鐘信號或 SPI 等總線通信會導致發射。總線活動有時并不連續出現，通常會被其他外部系統控制器觸發。測量電源線上的傳導發射時，這些總線活動一般會導致頻譜中出現偶發性事件。示波器是用于在開發過程中調試傳導發射的標準儀器。但是，如要檢測頻譜中的偶發性短暫事件，具備標準 FFT 功能的示波器有所局限性。這主要是因為示波器需要進行長時間的計算，才能顯示 FFT 頻譜。計算 FFT 頻譜時，可能會遺漏罕見的偶發性短暫事件。查明和隔離發射源，需要更快的 FFT 性能。

圖 1：調試傳導發射。

羅德與施瓦茨解決方案

R&S?MXO 5 系列示波器能夠測量頻譜，并快速深入分析傳導發射，非常適合這種具有挑戰性的任務。借助快速 FFT 功能，用戶能夠以 45 000 FFT/s 的速率采集頻譜。結合使用低噪聲模擬前端時，用戶可以高效準確地檢測罕見事件。

此外，FFT 不受時域設置影響，非常有益于 EMI 調試。標準 FFT 功能的 FFT 更新率會由于分辨率帶寬而大幅降低。此外，近場探頭可用于確定系統中的噪聲源。這也需要利用快速 FFT。要進行穩定且可重復的測量，需要使用人工電源網絡 (AMN)。

應用

使用連接有刷直流電機的全集成式半橋驅動器顯示傳導發射頻譜中的偶發性事件。此被測設備（見第一頁的圖 1）為電源部分提供兩個半橋，并且可以通過 SPI 總線進行配置。微控制器連接至總線，用于監測驅動器狀態以及控制電機的速度和方向。CAN 總線和系統外部的模塊進行通信。

查找根源

此流程可以分為三步：

第 1 步：激活余暉模式（突出顯示任何不常見的異常事件），根據 CISPR25 等所需標準執行傳導發射測量

第 2 步：使用不同尺寸的合適電磁近場探頭查找并定位根源（查找和特定電路板功能相關的發射）
注意：應始終激活余暉模式以顯示非周期性事件

第 3 步：確定頻譜和特定功能之間的相關性后，關閉無限余暉模式；觸發可能是事件根源的信號（測量將確認是否猜測正確，或是否需要重復進行第 2 步）

圖 2：電源線上的傳導發射測量。

測量示例

圖 2 顯示有刷電機應用的電源線上的傳導發射測量結果。快速 FFT 結合激活的余暉模式，能夠檢測到導致整個頻譜中出現強發射的罕見事件。噪聲包絡（參見白色箭頭指示的淺黃色區域）顯示寬帶噪聲源（例如總線通信或時鐘信號）造成的典型特征。完成傳導發射測量后，使用近場探頭在印刷電路板上靠近微控制器旁邊 SPI 數據軌跡的位置發現具有相似特征的發射。由此推測 SPI 活動可能是根源。

圖 3：傳輸 SPI 數據時的 EMI 頻譜。

可以通過最后一步進行確認（見圖 3）。在此測量中，標準觸發模式激活，并使用無源探頭測量 SPI 通信端口（通道 3）。頻譜會同時顯示。結果表明，一旦控制器和接收機開始 SPI 通信（觸發事件），顯示屏上會出現強寬帶發射。SPI 總線活動產生發射并反射到電源線的傳導發射中；了解詳細信息后，可以定義活動以限制這種發射。

總結

混合信號應用中可能出現偶發性發射，R&S?MXO 5 系列示波器非常適合驗證這種應用的傳導發射。結合高達 45 000 FFT/s 的快速 FFT 功能和低噪聲模擬前端，用戶能夠在混合信號電源設計的頻譜中發現所有罕見的異常問題。