我的 PCB 上有什么辐射?

电器工程 电路板 电磁兼容 辐射 远处的荒(田)野
2022-01-18 06:29:16

我最近在我的 PCB 上进行了适当的 EMC 测试。它未通过测试,似乎在 300MHz - 1GHz 区域内辐射,每 50MHz 有一个峰值,在 25MHz 上几乎没有峰值。

辐射发射

观察近场,您可以清楚地看到周围有很多 25MHz 谐波: 近场 25MHz 谐波

板子里面有一个25MHz的晶振,肯定是信号源,但问题是,板子上辐射的是什么?天线可能是什么?我能想到的候选人有:

  • 接地平面充当中心馈电贴片天线。该板为 23 毫米 x 47 毫米,这使其成为约 1.6GHz 的四分之一波长!
  • 电源中的电感器。该板包含TPS84250EN5312 集成电感开关电源 IC。或许 25MHz 信号正在返回这些 IC 中的电感器并将它们用作天线。
  • 电缆。尽管在测试期间在电缆上添加铁氧体似乎没有任何区别,这让我相信这是 PCB 本身的东西。
  • 还有什么?我想不出还有什么大到可以在如此低的频率下辐射。

被测设备由一对堆叠在一起的 PCB 组成。底部的一个包含 25MHz 晶体和使用它的芯片。最上面的一个包含电源组件。

印刷电路板 印刷电路板

PCB层

加分问题:为什么近场周围明显有很多25MHz的谐波,而远场只能检测到100MHz和50MHz的谐波?

3个回答

这是一个很难用几百字来涵盖的问题,所以这将是简短的,你只需要自己做一些研究。但我会尽量总结它,这样你至少知道要研究什么。

您需要了解走线阻抗、信号端接、信号返回路径和旁路/去耦电容。如果你得到这些绝对正确,那么你将有零 EMC 问题。让它 100% 完美是不可能的,但你可以比现在更接近。

首先,让我们看一下信号返回路径……对于每个信号,都必须有一个返回路径。通常返回在电源或接地平面上,但也可能在其他地方。在您的 PCB 上,返回是在飞机上。返回路径从接收器返回到驱动器。环路区域是由信号加上返回路径创建的物理环路。通常物理定律会导致环路面积尽可能小——但 PCB 布线想把它搞砸。

环路面积越大,您遇到的射频问题就越多。你不仅会发射比你想要的更多的射频,而且你也会收到更多的射频。

底部(蓝色)层上的信号将希望它们的返回路径位于下一层(青色)的相邻平面上——因为这使得环路区域尽可能小。顶部(红色)层上的信号将在金层上具有返回路径。

如果信号从顶层开始,然后通过通孔到达底层,则信号返回路径将在通孔处从金层切换到青色层!这是去耦电容的主要功能。通常一个平面是 GND,另一个是 VCC。在平面之间切换时,信号返回路径可以通过去耦帽。这就是为什么在平面之间设置上限通常很重要,即使出于电源原因显然不需要它。

如果平面之间没有去耦帽,则返回路径无法采用更直接的路径,因此环路面积会增加 - 并且 EMC 问题也会增加。

但是平面上的空隙/裂口可能会带来更大的问题。您的黄金层有分裂的平面和信号迹线,这会产生问题。如果您比较红色和金色层,您将看到信号如何穿过平面中的空隙。每当信号穿过飞机上的空隙时,就会出现问题。返回电流将在平面上,但它无法跟随穿过空隙的轨迹,因此它必须绕道而行。这会增加环路面积和您的 EMC 问题。

您可以在信号交叉的地方放置一个盖子。但更好的方法是重新安排事情的路线以避免这种情况。

产生相同问题的另一种方法是当您有几个靠近在一起的过孔时。通孔和平面之间的间隙可以在平面中产生槽。要么减小间隙,要么将过孔散开,这样就不会形成槽。

好的,这是你的董事会最大的问题。一旦您了解了这一点,您就必须查看信号终端和控制走线阻抗。之后,您必须查看以太网连接的屏蔽和机箱 GND 问题(Q 中没有足够的信息来准确评论)。

我希望这会有所帮助。我真的对这些问题感到轻而易举,但这应该能让你继续前进。

重新旋转我的电路板后,噪音似乎大大降低了。我做了很多改变,所以很难确切知道哪些是负责任的。基本上,我复制了 Beckhoff EtherCAT 模块中使用的 EMC 预防措施

  • ET1200 ASIC 的所有电源引脚上的铁氧体,在铁氧体前后都有盖帽。
  • 输出 LVDS 线路上的 5pF 电容器、两个铁氧体和共模扼流圈。
  • 改进的晶体布局,下方有完整的接地层。我也听从了奥林关于晶体负载帽接地连接的建议。

至于实际辐射的是什么?很难确定,屏蔽 ET1200 本身似乎没有帮助。也没有在电缆中添加铁氧体。唯一有帮助的是将 PCB 封装在金属盒中。所以我猜这是PCB上的东西。或许正如 Olin 所建议的那样,地平面充当中心馈电贴片天线。

我认为 25MHz 谐波指向以太网相关问题。我不熟悉 Micrel 的建议,但大多数其他供应商建议 phy 和磁性之间的最小距离,这在您的板上并不明显。此外,磁体下方有一个连续的接地层,大多数地方也不推荐这样做。

用布局图很难分辨,但它看起来像是在 phy 下方运行的走线,然后串出并在对面层上作为一个漂亮的天线出现。这可以通过一些近场探测来证实,也许?

据我了解,出现在近场而不是远场的事物意味着该频率没有有效的耦合路径和天线。

你绝对肯定你已经绕过了一切吗?我有一个 emc 测试人员告诉我,他有一个板子从不通过变为通过,因为他们错过了一个旁路帽。您还可以确保您的旁路电容在 25MHz 时以您想要的方式工作。使用带有跟踪发生器的频谱分析仪和一个 50 欧姆带状线,上面焊接有帽,看看它们是如何工作的。

我认为大卫凯斯纳的回答仍然值得考虑。我觉得我们这里的信息真的不够完整。

我认为最好的办法是与经验丰富的 emc 技术人员一起租一两个小时(也许您内部有一个),并吸收他告诉您的有关您的董事会的所有信息。