PCB板晶振輻射騷擾的研究與整改

■ 文/公安部檢測(cè)中心 呂楊 王磊 韓井玉 韋靖 陳俊

PCB板晶振輻射騷擾的研究與整改

■ 文/公安部檢測(cè)中心 呂楊 王磊 韓井玉 韋靖 陳俊

目前，我國(guó)信息技術(shù)設(shè)備應(yīng)通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》規(guī)定的電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)。很多信息技術(shù)設(shè)備在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，由于PCB電路板的晶振產(chǎn)生的諧波輻射騷擾超出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值要求，以至于設(shè)備無(wú)法通過(guò)該試驗(yàn)。因此，本文首先介紹了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9254-2008和電磁騷擾，然后分析了在PCB上如何對(duì)晶振布局設(shè)計(jì)才能避免產(chǎn)生干擾及其常用整改方法，通過(guò)研究和整改一個(gè)由晶振產(chǎn)生輻射騷擾的PCB電路板，最終實(shí)現(xiàn)該設(shè)備整改完成后滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試要求。本文也為其他不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)的設(shè)備如何進(jìn)行晶振整改提供了參考。

PCB 晶振 布局設(shè)計(jì) 整改 輻射騷擾

1 引言

采用一定的技術(shù)手段，使同一電磁環(huán)境中的各種電子、電氣設(shè)備都能正常工作，并且不干擾其他設(shè)備的正常工作，這就是電磁兼容。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365-1995中對(duì)電磁兼容嚴(yán)格的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其他電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

信息技術(shù)設(shè)備主要會(huì)產(chǎn)生多種周期性的、二進(jìn)制脈沖型的波。這些波可通過(guò)電網(wǎng)電纜、信號(hào)線或其他導(dǎo)線，或者通過(guò)直接輻射的形式造成非期望的耦合而構(gòu)成對(duì)無(wú)線電接收的潛在干擾源。目前，我國(guó)依據(jù)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)信息技術(shù)設(shè)備的輻射騷擾進(jìn)行測(cè)試，在標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定信息技術(shù)設(shè)備輻射出的能量不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

2 電磁騷擾

電磁騷擾，簡(jiǎn)稱EMI，有傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾兩種。傳導(dǎo)騷擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生騷擾；輻射騷擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的騷擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把騷擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。大多數(shù)的設(shè)備中都有類似天線特性的零件，如電纜線、PCB 布線、內(nèi)部配線、機(jī)械結(jié)構(gòu)等，這些零件透過(guò)電路相耦合的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)而將能量轉(zhuǎn)移。電磁騷擾按騷擾的來(lái)源分類，可以分為自然騷擾和人為騷擾。自然騷擾包括雷電產(chǎn)生的騷擾和宇宙噪聲。人為騷擾是指在人類的生活、交融、生產(chǎn)、科學(xué)研究、軍事等活動(dòng)中產(chǎn)生的電磁騷擾。電磁騷擾按信號(hào)的功能可以分為功能性騷擾和非功能性騷擾。功能性騷擾是指設(shè)備正常工作時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生的騷擾。非功能性騷擾是指無(wú)用的電磁泄露產(chǎn)生的騷擾。

3 晶振在PCB上設(shè)計(jì)原則及常用整改方法

3.1 設(shè)計(jì)原則

石英晶片鍍上電極，安裝在一個(gè)支架上，然后封裝在一個(gè)金屬外殼，就變成了石英晶體諧振器，也叫晶振。晶振必須接入振蕩電路才有信號(hào)輸入，用于各種電路中產(chǎn)生振蕩頻率。

造成EMC輻射超標(biāo)的原因是多方面的，接口濾波不好，結(jié)構(gòu)屏效低，電纜設(shè)計(jì)有缺陷都有可能導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)，但產(chǎn)生輻射的根本原因卻在PCB的設(shè)計(jì)。最典型的輻射源莫過(guò)于晶振，每一個(gè)PCB工程師都知道晶振應(yīng)該遠(yuǎn)離I/ O接口，但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師所要求的PCB往往尺寸有限，器件繁多，于是在經(jīng)過(guò)種種考慮后，PCB工程師“不得不”把晶振放置在I/O接口處。不合理布局的晶振會(huì)造成很?chē)?yán)重的影響，例如晶振距離I/O端口過(guò)近、晶振輸出端引線在PCB的表層上走了很遠(yuǎn)一段距離、晶振在PCB上的影射區(qū)域沒(méi)有完整的鋪銅、晶振距離電源輸入端口距離過(guò)近等，這些因素為晶振上的騷擾提供了傳播途徑，騷擾可以通過(guò)臨近的走線和電源線耦合到其他單板和電纜，同時(shí)還可以通過(guò)空間直接耦合到機(jī)盒外，引起輻射發(fā)射超標(biāo)。

因此，在晶振布局上，需要遵循以下原則：

1）盡量遠(yuǎn)離I/O接口和電源輸入端口；

2）晶振在PCB上的影射區(qū)域一定要鋪銅處理，其輸出端引線不允許走PCB的表層，應(yīng)走在內(nèi)層（如能再做包地走線處理則更為理想），切記不能在晶振擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地；

3）晶振不要靠近板邊。走等長(zhǎng)線的部分周?chē)舫鲎銐虻目臻g（100M以上時(shí)鐘線必須拉圓弧線），點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、菊花鏈結(jié)構(gòu)最常用；

4）晶振下最好不走線，尤其是高速信號(hào)線；

5）晶振的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置，兩者間的走線盡量短而直，且遠(yuǎn)離板邊；

6）晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號(hào)流向排布，且靠近晶振擺放整齊緊湊。

3.2 整改方法

產(chǎn)生電磁干擾的3個(gè)要素為：

1）電磁騷擾源：指產(chǎn)生電磁騷擾的元器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。

2）騷擾信號(hào)耦合的通道：指騷擾信號(hào)傳播的途徑，包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。

3）對(duì)此類騷擾敏感的儀器設(shè)備：即被干擾體，指對(duì)此類騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

晶振屬于產(chǎn)生電磁干擾的3個(gè)要素中的第一個(gè)要素，即電磁騷擾源。當(dāng)PCB板的設(shè)計(jì)和布局已經(jīng)完成，無(wú)法再進(jìn)行更改時(shí)，如果經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁輻射超標(biāo)，就需要對(duì)PCB板進(jìn)行整改，這時(shí)如果輻射超標(biāo)是由晶振產(chǎn)生的，就需要在不完全改動(dòng)PCB布局的情況下進(jìn)行電路整改，使電路板符合GB9254標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射限值要求，通常針對(duì)晶振采用的整改方法如下：

1）晶振起振的電容是否匹配，如果不匹配，更換為匹配電容；

2）查看晶振外殼是否接地，如果沒(méi)有接地，需要將外殼接地，減小輻射；

3）晶振采取屏蔽措施，完全隔離騷擾源；

4）將晶振管腳連接電阻，減小晶振輸出的振動(dòng)能量。

4 整改實(shí)例

這是一款基于STC89C52單片機(jī)的多功能電子萬(wàn)年歷，由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫度采集模塊、時(shí)間處理模塊和調(diào)整設(shè)置模塊四個(gè)模塊組成。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制器，以串行時(shí)鐘日歷芯片DS1302記錄日歷和時(shí)間，它可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，還具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。溫度采集選用DS18B20芯片，萬(wàn)年歷采用直觀的數(shù)字顯示，數(shù)據(jù)顯示采用1602A液晶顯示模塊，可以在LCD上同時(shí)顯示年、月、日、周日、時(shí)、分、秒，還具有時(shí)間校準(zhǔn)等功能。該萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示：

該萬(wàn)年歷的各個(gè)元器件的選型和走線之間的布局一定程度上會(huì)產(chǎn)生輻射，相應(yīng)的PCB圖如圖2所示：

單片主控電路的晶振的位置如圖中標(biāo)出的位置，該晶振為12MHz。對(duì)該裝置進(jìn)行測(cè)試，得到結(jié)果如圖3所示。通過(guò)圖中可以看出：已經(jīng)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值50μv/m，超出的頻率點(diǎn)主要為48MHz、84 MHz、96 MHz等，通過(guò)分析可知這些頻率點(diǎn)均為12MHz的晶振的諧波頻率點(diǎn)，因此暫時(shí)確定為12MHz的晶振引起的輻射騷擾超標(biāo)，整改的重點(diǎn)應(yīng)放在晶振上。參照之前所述的晶振整改方法，12M晶振的起振電容的值在20pf-33pf之間，此處使用的兩個(gè)電容均為20pf電容匹配，但是發(fā)現(xiàn)晶振的外殼未接地和屏蔽，因此采用接地和屏蔽殼將外殼屏蔽，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖中可以看出，在一部分頻點(diǎn)，通過(guò)接地和屏蔽，可以起到一定效果，但是無(wú)法完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。因此在晶振上的兩端串接電阻，這里采用串接磁珠的方式。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖中可看出，在采取了接地、屏蔽、串接磁珠的方式后，達(dá)到了測(cè)試的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)GB9254-2008規(guī)定的電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)是很多信息技術(shù)設(shè)備通過(guò)檢測(cè)的不可缺少的試驗(yàn)。很多設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)由于晶振輻射過(guò)大，造成的試驗(yàn)不符合情況，因此作為干擾源的晶振的整改方法，就成為通過(guò)試驗(yàn)的關(guān)鍵鑰匙。設(shè)計(jì)之初，進(jìn)行PCB布局時(shí)就應(yīng)該充分考慮到晶振可能產(chǎn)生的各種問(wèn)題，合理的PCB布局可以在一定程度上減小晶振帶來(lái)的輻射影響。在設(shè)備成型之后，采用相應(yīng)的晶振整改方法，可以降低晶振的輻射，對(duì)通過(guò)試驗(yàn)產(chǎn)生一定的幫助。其他設(shè)備晶振的設(shè)計(jì)和整改也可以參照本文的思路和方法，最終為成功通過(guò)試驗(yàn)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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