PCB的輻射發(fā)射診斷方法及抑制措施分析①

張 戟，石 娟，楊騰飛

(1，2.同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804;3.德爾福中國技術(shù)研發(fā)中心，上海 200120)

0 引言

隨著控制器總線頻率的提高和時鐘/總線信號上升沿時間的下降，信號高頻諧波分量的幅值也隨之增加，產(chǎn)生了更寬頻譜范圍內(nèi)的電磁輻射.研究輻射發(fā)射產(chǎn)生機理、準確地診斷出輻射源以及找出整改措施已變得勢在必行［1－2］.

1 差模輻射和共模輻射及共模輻射的產(chǎn)生機理

PCB的輻射發(fā)射源主要是:PCB板上的走線和接插件電纜.接插件的電纜是效率很高的輻射天線，由于PCB上的高頻信號會耦合到電纜上，因此往往電纜輻射是更主要的輻射貢獻者.但歸根到底，接插件電纜的輻射也是來源于PCB板上的走線.PCB板上的輻射發(fā)射有兩種方式:共模輻射和差模輻射，分別是由共模電流和差模電流產(chǎn)生的.(1)差模輻射

在滿足一定條件下，PCB板中的每根導(dǎo)線都可以看做一個電偶極子模型，利用電偶極子輻射場的計算公式可以算得差模電流的最大輻射電場強度為［3］其中，E為電場場強;f為差模電流的頻率;A為差模電流的環(huán)路面積;I為差模電流的強度;r為測試點到差模電流環(huán)路中心的距離.

從上式可以看出，差模電流的輻射場強與電流的強度以及回路的面積成正比，與環(huán)路電流的頻率的平方成正比，與測試點到環(huán)路中心距離成反比.因此得出抑制差模輻射的方法:1.減小電流值;2.降低電流頻率;3.減小環(huán)路面積.

(2)共模輻射

利用電偶極子模型可計算得共模輻射公式為:

其中，E為電場場強;f為共模電流的頻率;I為共模電流的強度;r為測試點到電纜的距離.為了減小某一特定頻率的共模電流所產(chǎn)生的輻射場，可以選擇減小電流和減小導(dǎo)線長度兩種方法.

假設(shè)存在一對1米長的平行導(dǎo)線，導(dǎo)線間距為0.05m.導(dǎo)線上的差模電流頻率為20MHz，幅值為30mA.根據(jù)式(1)，(2)可以分別計算出這對差模電流和共模電流在距離1米遠處所產(chǎn)生的輻射場強度分別為7.9mV/m，756mV/m.

可見，同樣幅值的共模電流和差模電流所產(chǎn)生的輻射場強度竟然相差達100倍，這充分說明了對系統(tǒng)的輻射發(fā)射起主要作用的是線纜上的共模電流［4］.

(3)共模輻射產(chǎn)生機理

電路板上的共模電流是由共模噪聲電壓產(chǎn)生的，該電壓產(chǎn)生方式有兩種，分別叫做電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型.電流驅(qū)動型的共模噪聲電壓是由于時變電流(差模電流)的回流在返回路徑阻抗上形成的壓降，電壓驅(qū)動型的共模噪聲電壓則是直接來源于電路中的差模電壓(比如芯片的某個管腳上或者連接器處的差模電壓)［4］.這兩種驅(qū)動方式，最初是由Elishakoff等人在其論文中提出并通過試驗進行的驗證［5］.這兩種模型能夠很好地解釋電路板上共模電流的產(chǎn)生機理.文獻［6］用了一個簡化的信噪比模型來解釋電路板上共模電流的產(chǎn)生機理，前面所說的兩種模型最終都可以歸結(jié)到這個模型上.

圖1 C樣機線纜共模電流頻譜.測量頻帶100至500MHz，測量帶寬10KHz

圖2 320MHz處共模電流峰值(與背景噪聲比較)

2 輻射發(fā)射診斷方法

通過前邊的研究，了解了共模輻射產(chǎn)生機理，為了更好地定位電路板輻射源，希望通過現(xiàn)有的實驗設(shè)備設(shè)計出一套PCB輻射發(fā)射問題診斷的方法.目的是通過實驗對VMS輻射發(fā)射性能做全面的分析，確定引起輻射發(fā)射問題的電路板設(shè)計缺陷為下一版本的電路板設(shè)計提供重要參考.

輻射發(fā)射問題診斷試驗方法可以分為如下幾個步驟:1)確定電路板輻射超標的頻率點;2)通過EMSCAN定位PCB輻射噪聲源;3)分析輻射原因;4)提出整改意見.

(1)確定電路板輻射超標的頻率點

在實驗室中對整車控制器以及其附屬線纜進行共模電流的測量，控制器通過兩個符合CISPR25要求的AN供電，供電電壓為24V.所有線纜均與控制器連接，線纜的另一端連接模擬負載箱.模擬負載箱直接放置在參考地平面上.線纜被放置在距離參考地平面60mm高的絕緣塊上，線纜總長度為2m，其中平行于參考地平面前沿的一段長為1.5m.

測量結(jié)果如圖1，2所示.

圖中顯示的是控制器通電狀態(tài)下測量的結(jié)果與背景噪聲相比較的結(jié)果，圖所示是320MHz處實際的共模電流幅值，可以看到其峰值為24dBμA，比背景噪聲高40dBμA.

(2)通過EMSCAN定位PCB輻射噪聲源

使用EMSCAN對電路板進行近場掃描，可以看到電路板上區(qū)域A處的近場輻射強度是最大的［7］，且其頻譜峰值點和共模電流頻譜上的峰值點是相似的.如圖3所示.

(3)分析輻射原因

查看電路圖，位于這塊區(qū)域的電路有看門狗芯片，其連接的信號包括SPI總線和Proreset#復(fù)位信號線.使用電壓探頭測量這幾個信號線上的電壓頻譜，發(fā)現(xiàn)Proreset#信號線在很寬的頻譜范圍內(nèi)都有 非常強的噪聲電壓(參見圖5).

圖3 控制器近場輻射測量結(jié)果

查看控制器原理圖［7］，發(fā)現(xiàn)Proreset#信號線并沒有經(jīng)過任何濾波措施，而是直接從單片機管腳引出.信號線上的噪聲電壓將通過其與地平面之間的分布電容產(chǎn)生噪聲電流.噪聲電流的回流需要返回單片機的電源地管腳，觀察Proreset#信號線的返回路徑，發(fā)現(xiàn)信號管腳與單片機電源地管腳之間的地平面存在著由大量過孔的Antipad形成的空槽(參見圖4).

圖4 Proreset#信號線上噪聲電流返回路徑遇到地平面的空槽而形成噪聲電壓

空槽阻斷了噪聲電流的回流路徑，也相當于增加了噪聲電流的回流阻抗.噪聲電流將在這個阻抗上產(chǎn)生噪聲電壓.使用電壓探頭測量空槽兩端(測量點A和測量點B)的地網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)確實存在高頻的電壓差.

由此可以判斷，Proreset#信號線上的噪聲電流的回流在地平面阻抗上產(chǎn)生的噪聲電壓是驅(qū)動天線的噪聲電壓源.

(4)整改措施

由此可知，只要設(shè)法減小Antipad造成的噪聲電流返回路徑阻抗即可，此處，我們采取的措施是加大過孔之間的間距以避免電源/地平面空槽的出現(xiàn)，從而可以減小噪聲電流返回路徑的阻抗.控制器所采用的MPC555芯片是BGA封裝，外圍有四排針腳.由于針腳之間的間距只能允許單根走線穿過，因此要將所有信號線都引出必須使用過孔將走線引到電路板背面.但正如在C樣機上所看到的，假如放置一排過孔，過孔的Antipad勢必將在電源/地平面上形成空槽，使得這一區(qū)域信號電流返回路徑的阻抗升高，且很有可能會產(chǎn)生噪聲電壓.因此，在改版的電路板設(shè)計中，對單片機針腳扇出的過孔(特別是數(shù)據(jù)/地址總線區(qū)域)進行了特殊 的安排，防止出現(xiàn)整排過孔的情況如圖6所示.

圖5 地平面空槽兩側(cè)噪聲電壓頻譜比較

圖6 安排過孔的放置避免在電源/地平面上出現(xiàn)大面積的空槽

圖7 將信號線的過孔錯開布置以避免地平面上大面積的空槽出現(xiàn)

對于電路板其他過孔比較集中的區(qū)域，將臨近兩個過孔之間的間距盡量拉大(至少保持在100mil的間距是合理的)，例如采用錯開過孔的方法如圖7所示.

3 總 結(jié)

本文首先分析了輻射發(fā)射的理論基礎(chǔ)——共模輻射和差模輻射，指出電路板上的輻射主要貢獻者是共模輻射.根據(jù)對控制器的輻射發(fā)射診斷方法，利用電磁兼容測試平臺對文中控制器的輻射發(fā)射問題進行了診斷，結(jié)果證明了本診斷方法具有一定的準確性、可操作性.

［1］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Dircuit Boards with Attached Cables，1996，Vol.122(6):559 －565.

［2］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Circuit Boards with Attached Cables［J］.IEEE Electromagnetic Compatibility，1996，Vol.122(6):559－565.

［3］Clayton R.Paul，Introduction to Electromagnetic Compatibility(Version 2)［M］.John Wiley＆ Sons，Inc.2007.553－563.

［4］楊繼深.電池兼容技術(shù)之研發(fā)與認證第二版［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:140－181.

［5］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Circuit Boards with Attached Cables［J］.IEEE Electromagnetic Compatibility，1996，Vol.122(6):559 －565.

［6］Frank B.J.LeferinkReduction of Printed Circuit Board Radiated Emission.

［7］楊騰飛，張戟，王洪武.整車控制器的輻射發(fā)射問題分析與診斷［J］.機械與電子，2011，24(6):47 －50.