某社保（終端/便民/訪客）服務器終端EMC整改案例分析

邵 鄂，李 力，邵偉恒

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2. 廣東德生科技股份有限公司 廣州 510000）

某社保（終端/便民/訪客）服務器終端EMC整改案例分析

邵 鄂1，李 力2，邵偉恒1

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2. 廣東德生科技股份有限公司 廣州 510000）

介紹了某社保（終端/便民/訪客）服務器終端在電子產(chǎn)品電磁兼容認證中經(jīng)常遇見的輻射騷擾和傳導騷擾測試項目，重點從PCB板級電路EMC設計方面進行測試不合格原因分析，并給出整改對策。并由此案例引出電子產(chǎn)品電磁兼容設計時的注意事項，以圖能給電子產(chǎn)品設計工程師提供參考，使其能以較高概率一次性通過EMC認證。

電磁兼容；輻射騷擾；傳導騷擾

引言

當今在某些農(nóng)村金融社保、電子政務大廳、大型購物商場、中西餐飲服務業(yè)、高檔百貨商場、精品屋、便利店、銀行服務業(yè)、互動多媒體、廣告播放系統(tǒng)等場合經(jīng)?？梢姷侥軌蛑С帧爸袊苿?、中國電信及中國聯(lián)通的2G/3G通訊、二維碼掃描、二代身份證識別、WIFI通訊、藍牙通訊、拍照、指紋識別、IC卡讀寫”等功能的社保（終端/便民/訪客）服務器終端（以下簡稱：終端）。此類終端產(chǎn)品的電路模塊多、功能也較復雜；但從它使用的場合來看，往往對產(chǎn)品可靠穩(wěn)定運行要求較高，然而這兩者無疑是一對矛盾體。本文將圍繞某終端進行中國強制性認證（China Compulsory Certification，CCC）電磁兼容試驗項目-輻射騷擾、電源、電信端口騷擾電壓測試，重點從PCB板級電路電磁兼容設計方面分析其測試不合格原因、并給出整改對策，最后總結出相關電子產(chǎn)品PCB板級電路電磁兼容設計的注意事項。

1 不合格現(xiàn)象描述

該終端產(chǎn)品進行EMC認證的主要依據(jù)是GB/T 17618-2015[1]《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》和GB/T 9254-2008[2]《信息技術設備無線電騷擾限值和測量方法》。該終端產(chǎn)品進行EMC初次認證時，發(fā)射類和抗擾度試驗大多數(shù)試驗項目均存在不合格現(xiàn)象。由于本文將重點從PCB EMC設計角度剖析輻射騷擾和傳導騷擾超標的機理。因此，以下僅給出電源端、電信端口傳導騷擾及30 MHz-1 GHz輻射發(fā)射初次測試結果。

1）電源端口傳導騷擾測試

如圖1所示，電源端口傳導騷擾僅13.56 MHz單頻點發(fā)射高出限值（平均值）約10 dB。

2）電信端口傳導騷擾測試

如圖2所示，電信端口傳導騷擾測試出現(xiàn)許多頻點高出平均值限值不少dB，超標整體呈現(xiàn)出一根根毛刺狀，超標頻率間隔為340 kHz。

3）30 MHz-1 GHz輻射發(fā)射測試

如圖 3所示，該終端產(chǎn)品輻射發(fā)射在175-450 MHz范圍內大面積超標，尤其在218.75 MHz頻點處超限值（40 dBuV/m）13.2 dB，且超標曲線像在200～400 MHz較高包絡上疊加一些毛刺狀的窄帶干擾信號。

2 原因分析

2.1 傳導騷擾超標分析

電源端傳導騷擾測試的實質是測試電源線發(fā)射出的流過LISN內部的1 KΩ與EMI接收機內部50 Ω的并聯(lián)后約50 Ω上電流大小。

1）13.56 MHz超標原因分析

從圖1電源端傳導騷擾測試結果出現(xiàn)13.56 MHz超標，并且27.12 MHz雖然沒有超標，但仍然通過電源端口發(fā)射出來了。因此，可初步判斷終端產(chǎn)品內部有13.56 Mz的窄帶騷擾源；通過查看終端電路原理圖和芯片數(shù)據(jù)手冊，找到二代身份證是利用13.56 MHz的RFID系統(tǒng)進行非接觸式身份識別。因此，導致13.56 MHz發(fā)射超標的源頭是二代證接口板的13.56 MHz晶振，它布局在二代證接口板的PCB邊沿，且數(shù)據(jù)的讀寫訪問、二代證接口板的電源均是通過接插件進行交換的。這種PCB設計缺陷容易導致差模電流難以從最短阻抗路徑回到源頭，從而使13.56 MHz差模信號易轉換為共模信號[3]，并由二代證讀卡器的電源線以傳導方式將13.56 MHz發(fā)射出去。

圖1 傳導騷擾電源端初次測試結果

圖2 傳導騷擾電信端口初次測試結果

圖3 輻射發(fā)射初步測試結果

2）340 kHz及高次諧波超標原因分析

從圖2電信端口傳導騷擾出現(xiàn)一根根毛刺似的窄帶信號超標，兩超標頻點間隔為340 kHz。因此，可初步判斷網(wǎng)口信號或電源上存在340 kHz窄帶干擾信號，至于此干擾信號如何串擾到網(wǎng)線上去的需要進一步對核心板和接口板電路原理圖、芯片數(shù)據(jù)手冊以及PCB布局和布線進行一一核對。經(jīng)核查，開關電源芯片MP1484（美國芯源系統(tǒng)有限公司制造）固定開關頻率正好是340 kHz。這與圖2的測試結果不謀而合。因此，可以基本鎖定是開關電源芯片MP1484的開關頻率及其高次諧波導致一根根毛刺狀的窄帶信號超標。

2.2 輻射發(fā)射超標原因分析

如圖4中箭頭所示，用近場磁場探頭在核心板上沿攝像頭驅動排線進行近場掃描，發(fā)現(xiàn)更改屏的分辨率后，出現(xiàn)的超標頻點均不一致。當屏幕分辨率最高為1 080 P時，在43.75 MHz、131.25 MHz、和218.75 MHz頻點超標幅度較大，細心便可發(fā)現(xiàn)131.25 MHz、218.75 MHz分別是43.75 MHz的3倍頻和5倍頻。因此，初步判斷是圖4中箭頭所示的密集并行印制線把43.75 MHz及高次諧波發(fā)射出來，至于具體是那根走線輻射出來，需要對攝像頭工作原理進行深入分析。

攝像頭工作的流程如下：RAM收到拍照指令后，給攝像頭傳感器傳輸25 MHz參考時鐘，并通過I2C總線對攝像頭的分辨率、曝光率和色度等參數(shù)進行配置；然后攝像頭根據(jù)參數(shù)配置自動計算出數(shù)據(jù)回傳同步時鐘CAM_PCLK，同時將編碼后的8位并行數(shù)據(jù)沿著圖4中箭頭指示回傳給RAM。當攝像頭分辨率最高時，自動計算出的CAM_PCLK正好是43.75 MHz。從圖4中可以估算CAM_PCLK的布線長度約15 cm，加之定焦攝像頭連接器到CMOS傳感器FPC布線約10 cm，因此CAM_ PCLK總長已達25 cm，CAM_PCLK布線長度已經(jīng)不再是“電小尺寸”了，已構成有效的輻射天線將CAM_PCLK及其高次諧波發(fā)射到空間。

3 整改措施及效果

3.1 傳導騷擾整改措施

1）新增屏蔽電感

開關電源芯片MP1484輸入端由原來短接更換為220 uH的屏蔽電感，破壞掉了MP1484開關頻率發(fā)射條件。

2）更改RFID身份識別流程

更改后的RFID身份識別軟件流程圖如圖5所示。

圖4 核心板攝像頭接口布線

圖5 二代證RFID身份識別流程圖

由于更換電感后，對終端進行電源端和電信端傳導騷擾復測仍然存在13.56 MHz超標。二代身份證模塊是由相關部門指定生產(chǎn)，只有一個由插孔構成的數(shù)據(jù)讀寫接口。因此，二代證接口板的設計受到供電、尺寸大小和安裝位置等因素限制，加之RFID身份識別系統(tǒng)沒有必要進行連續(xù)不斷的發(fā)射射頻信號。因此，基于身份訪問習慣，通過修改ARM和二代證接口板MCU軟件流程，以達到“點擊一次，識別一次”，使整個傳導測試過程中連續(xù)不斷發(fā)射13.56 MHz的射頻信號，變成僅在身份識別一次的過程中才開啟二代證讀寫訪問功能。從而大大減小了13.56 MHz載波射頻信號耦合到電源線上的風險。

通過以上兩項措施，整改后電源端、電信端口傳導測試結果見圖6和圖7所示。340 kHz和13.56 MHz及高次諧波均未再出現(xiàn)，且各個頻點均有較大裕量。

3.2 輻射騷擾整改措施

終端產(chǎn)品在自動對焦或定焦攝像頭工作時，輻射超標最嚴重。由于某些客觀因素未能對核心板進行PCB重新改板優(yōu)化設計。因此，對輻射發(fā)射超標只能從其他角度展開整改。

輻射發(fā)射整改措施如下：

1）縮短底板和上蓋板之間的互連線束，對互連線束進行雙絞，并對互連線束兩端套磁環(huán)吸收。

2）對攝像頭并行走線的FPC進行嚴格的阻抗控制，將CMOS工作的時鐘由ARM通過走線提供改為固定在攝像頭板上25 MHz晶振提供，并將攝像頭PCB底層進行屏蔽。

3）對終端底板和上蓋板的內壁進行噴導電油漆，使43.75 MHz及其高次諧波屏蔽在機殼內部，需注意的是導電漆受溫度影響較大，時間久了易老化脫落，因此，使用此種方案時需慎重考慮。

通過以上幾種措施，輻射發(fā)射整改后測試結果見圖8所示。

圖6 傳導騷擾電源端口整改后測試結果

圖7 傳導騷擾電信端口整改后測試結果

圖8 輻射騷擾整改后測試結果

4 結束語

本文通過對終端產(chǎn)品傳導騷擾和輻射騷擾整改案例分析，旨在說明類似產(chǎn)品在PCB EMC設計時需重點關注以下兩點：

1） PCB設計需結合產(chǎn)品結構設計。對于塑料外殼產(chǎn)品，未能起到有效的電磁屏蔽；另建議能用金屬的優(yōu)選金屬作為產(chǎn)品外殼。另外，對電路功能復雜的產(chǎn)品，盡量在同一塊PCB上實現(xiàn)，即使需要由多塊PCB來實現(xiàn)電氣功能，各PCB間的信號連接的處理需特別謹慎。如單板PCB各電源端口需進行TVS過壓鉗位抑制、各通訊接口需做濾波處理、阻抗控制等，以減少共模電壓驅動連接線束導致的共模輻射和增強PCB抗電磁干擾的能力。

2） 開關電源設計。對于單板EMC設計來講，開關電源帶來的電磁騷擾超標風險很大。開關管在導通或關斷瞬間，轉換時間大多小于100 ns[4]，由此導致較大的di/dt（V=Ldi/dt），開關電源PCB設計時需盡量減小由過孔、走線帶來的寄生電感L。因此，在設計時布線需盡量寬而短、去耦電容就近放置在開關芯片引腳處、優(yōu)選屏蔽電感以及避免或減小開關環(huán)路等。

[1] GB/T 17618-2015,信息技術設備抗擾度限值和測量方法[S].

[2] GB 9254-2008,信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法[S].

[3] 江思敏.PCB和電磁兼容設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.3

[4] 精通開關電源設計：第2版/（美）馬尼克塔拉（Maniktala,S）著；王健強等譯[M].北京：人民郵電出版社, 2015.1.

邵鄂（1986.11—）男，畢業(yè)于電子科技大學，碩士學位，工程師職稱?，F(xiàn)任工業(yè)和信息化部電子第五研究所質量安全檢測中心電磁兼容室工程師，主要從事電磁兼容檢測、設計與對策等研究工作。

EMC Rectifcation Case Analysis of A Server Terminal for Social Security (Terminal/ Convenience/Visitor)

SHAO E1, LI Li2, SHAO Wei-heng1
(1. CEPREI, Guangzhou 510610; 2. TECSUN, Guangzhou 510000)

This paper introduces the EMC test items of radiation disturbance and conducted disturbance, which are frequently encountered in the EMC certification of the terminal of a social security (terminal/ convenience/visitor) server, focusing on the analysis of the unqualified test of PCB board level EMC design. Then it gives related corrective measures and verifies their effects. Finally, it summarizes EMC design precautions in electronic product design in order to give electronic product design engineers to provide a reference to a higher probability of a one-time through the EMC certification.

EMC; radiation disturbance; conducted disturbance

TN609

B

1004-7204（2016）06-0009-05