PCB EMI整改实战：辐射超标调试全记录

实测某消费电子主板, 此主板为四层板, 其主控芯片工作频率是200MHz , 本人踩过该主板辐射骚扰30MHz – 1GHz全频段超标之坑, 新手若沿着我的操作路径一步步去做, 便能够轻松避开这类常见问题, 这台设备的EMI问题在最初于实验室扫描时, 垂直极化在125MHz处直接顶在了限值线, 水平极化在250MHz处也出现了明显尖峰, 废话不多说, 直接呈上步骤。

第一步 确认噪声源并切断耦合路径

对于操作路径而言, 需应用近场探头, 这里推荐使用Langer RF – 400 – ；借助该探头配合频谱仪, 之后要对主控芯片周边电源网络以及时钟走线区域进行逐点扫描操作。首先要设置频谱仪, 将其中心频率设定为125MHz, 扫宽设置成50MHz后并且把RBW设定为100kHz。当探头逐渐靠近DDR时钟线末端的时候, 在频谱仪上会出现一个尖峰, 该尖峰与辐射超标频点是完全吻合为 – 45dBm的。通过此现象能够直接确定问题源乃是DDR时钟信号就在参考平面不连续的处所产生的共模辐射。

【新手避坑】

常见出现的报错情况是: 扫描期间探头被握持得不稳定, 进而致使读到的峰值出现极为剧烈的抖动。其很重要的核心原因在于: 手部所产生的抖动现象或者探头其接地状况处于不良状态从而引入环境里面的噪声。能够快速实现解决问题的办法是: 采取用支架对探头进行固定的方式, 与此同时在探头的地线上焊接一段长度不超过3cm的短铜皮以此来提升屏蔽的效果。千万不要妄图追求省事用手抓着去进行测量, 否则数据将会全部作废。

第二步 在源头增加RC滤波与展频措施

于时钟源被确认为源端之后, 操作路径如下: 处在DDR时钟芯片的对应用的电源引脚也就是VDD那儿, 去串联上一个阻值是10Ω的电阻, 此电阻推荐采用0603那样的封装形式, 接着, 朝着对地的方向去并联上一个电容, 该电容是100nF的陶瓷电容, 其材质为X7R, 耐压能力是16V。与此同时, 当时钟进行输出的时候, 在走线靠近芯片的那一端, 要串联上一个阻值为22Ω的电阻, 依此来对上升沿斜率予以限制。关键参数推荐有着最优值, 展频调制幅度被设定为±0.5%, 它得以如此设定是存在理由的, 此幅度能够有效地把处于125MHz处的能量分散至±625kHz带宽范围之内, 进而使得峰值下降至少6dB, 并且还不会导致DDR时序抖动超出标准。

【新手避坑】

一般会出现的报错情况是, 在对电阻进行串联操作以后, DDR信号的眼图呈现出闭合的状态, 进而致使系统出现频繁死机的现象。其核心的根源在于, 电阻的数值太大, 致使信号上升的时间被过度地拉长了。能够快速解决该问题的办法是, 运用示波器对时钟引脚的波形展开测量, 以此来保证上升时间并非高于信号周期的百分之十；要是超过了这个数值, 那就把二十二欧姆的电阻置换成十五欧姆的或者十欧姆的。千万别不加思考地一味加大电阻, 那本质上就是自欺欺人。

第三步 在噪声耦合路径上增加地平面与磁珠隔离

对于那已经被确定是通过电源平面耦合到I/O接口的噪声，其操作路径如下: 在噪声频点处于250MHz这个位置时, 去找出跟该频点有关联的I/O连接器接口（在这个例子当中是USB 2.0接口）。然后在USB D+和D-这两条信号线上各自串联一个120Ω @100MHz的共模扼流圈（推荐TDK ACM2012系列）。同时, 于接口的Vbus电源入口之处, 串联一个阻值为600Ω且频率为100MHz的磁珠 , 此磁珠推荐Murata BLM18AG601SN1。存在两种实操方案予以对比 , 方案A也就是仅使用磁珠 , 能够把250MHz处的辐射降低大约3dB , 方案B是磁珠与共模扼流圈相配合而言 , 可降低大约8dB。做出选择的逻辑是这样的: 要是设备是依靠电池供电并且对于功耗方面较为敏感, 那么就要选择方案A；要是设备是通过适配器供电而且对于成本方面并不敏感, 那就坚决果断地选择方案B, 这是由于方案B在对差分噪声的抑制效果上更加彻底。

【新手避坑】

常见出现的报错是, 把焊接共模扼流圈做完之后, USB通信出现了断开的情况。其核心缘故在于, 扼流圈的共模阻抗过高, 致使差模信号衰减超出了USB规范所限定的范围。可以快速进行解决的办法是, 去测量USB信号眼图, 要是眼高低于400mV, 那就换成100Ω @100MHz的共模扼流圈, 与此同时检查PCB上信号线的走线长度是不是超过了15cm。不要仅仅只是一味地想着去滤噪声, 信号完整性才是最为重要的底线。

有关高频完整报错的案例情况是这样的: 在某一回进行调试操作期间, 出现了 250MHz 这个频点反复地跳动, 跳跃的幅度呈现出上下波动 3dB 的状况。关于完整一站式解决的流程是: 第一, 先是利用频谱仪去设置成最大保持模式, 随后是观察了 1 分钟时间, 此时发现频点的中心位置没有发生移动, 然而峰值却出现了波动, 随即判断这是温度漂移或者接触不良所导致。紧接着, 运用热风枪针对磁珠以及共模扼流圈进行局部加热, 令其温度达到 60℃, 这时候就发现峰值下降了 5dB, 在进行冷却以后峰值又出现了回升。最终而确定的是磁珠的额定电流不足, 当在该路 Vbus 负载达到 1.2A 的时候磁珠就会出现饱和失效的情况。应对举措为: 选取和原本600Ω磁珠阻抗相同但额定电流是2A的型号予以替换, 并且还要在磁珠的后端另外增添一颗10μF的钽电容用以吸收波动。问题被完全解决。

此时需改用远场预扫描结合仿真软件定位噪声源, 本方法不适用于结构密封且无法打开外壳进行近场扫描的产品, 比如全灌封电源模块。简易替代方案为在无法使用近场探头的情形下, 可用一段半刚性同轴电缆自制简易磁场探头, 不过灵敏度会下降约 10dB, 且需要配合低噪声前置放大器使用。