SMT工廠之云邊服務(wù)器電磁兼容設(shè)計(jì)

郭利文 黃文卓 鄧月明

摘? 要： 邊緣計(jì)算由于其低延時和位置感知、適應(yīng)移動以及分布式特點(diǎn)將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代應(yīng)運(yùn)而生。作為邊緣計(jì)算的關(guān)鍵設(shè)備，云邊服務(wù)器需要適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的各種惡劣環(huán)境，從而對其性能指標(biāo)有著嚴(yán)格的要求，特別是在電磁兼容設(shè)計(jì)方面。從電磁兼容性（EMC）的角度，以云邊服務(wù)器VGA接口電磁兼容性設(shè)計(jì)為例，從電路設(shè)計(jì)、PCB布線以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等多角度來分析硬件工程師和機(jī)構(gòu)工程師容易忽略的問題，從而減小電磁干擾（EMI），確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，特別是SMT工廠中的云邊服務(wù)器的電磁兼容性，以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定度和魯棒性。

關(guān)鍵詞： 云邊服務(wù)器; 電磁兼容性設(shè)計(jì); SMT工廠; VGA接口設(shè)計(jì); 極化測試; 測試驗(yàn)證

Abstract： The edge computing is emerging in the industrial Internet era due to its low latency， location awareness， adaptive movement and distributed characteristics. As the key device of the edge computing， the cloud edge server needs to adapt to various severe environments in the industrial production， so that strict requirements are defined on its performance indicators， especially for its electromagnetic compatibility （EMC） design. The EMC design of VGA interface on the cloud edge server is taken as an example to analyze the problems that are easy to be ignored by hardware engineers and mechanism engineers in the several aspects such as circuit design， PCB wiring and mechanism design， so as to reduce electromagnetic interference （EMI） and ensure the industrial Internet scene， especially for the EMC of cloud edge server in SMT factory， to meet the system stability and robustness.

Keywords： cloud edge server; electromagnetic compatibility; SMT factory; VGA interface design; polarization testing; test verification

0? 引? 言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的到來以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景快速往人與物、物與物之間進(jìn)行拓展，海量的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，這些數(shù)據(jù)涵蓋了人們生活、生產(chǎn)的各個場景。以SMT工廠為例，每個SMT工廠都由數(shù)條SMT生產(chǎn)線組成，每條SMT生產(chǎn)線由各種功能不同的精密SMT設(shè)備組成，包括印刷機(jī)、SPI、高速機(jī)、泛印機(jī)、爐前AOI、高溫爐、爐后AOI等。每個SMT設(shè)備都會產(chǎn)生大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，因此需要通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的手段來實(shí)現(xiàn)SMT工廠中的數(shù)據(jù)實(shí)時收集、處理與分析，并根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)對SMT工廠進(jìn)行自動化指導(dǎo)。但是，采用傳統(tǒng)“云?端”計(jì)算結(jié)構(gòu)時，由于網(wǎng)絡(luò)時延等問題，其實(shí)時性不能得到保證。于是“云?邊?端”的計(jì)算模式開始興起，如圖1所示[1]。

相較于傳統(tǒng)的“云?端”的計(jì)算方式，邊緣計(jì)算所采用的架構(gòu)更呈分布式，更接近網(wǎng)絡(luò)邊緣，其數(shù)據(jù)存儲和處理更依賴本地設(shè)備[2?3]。邊緣計(jì)算可以細(xì)分為端邊計(jì)算和云邊計(jì)算。端邊計(jì)算主要是各類IoT，其特征主要是異構(gòu)化、計(jì)算能力有限化、小型化以及專用化[4]。而云邊計(jì)算則更加接近云端，其主要特征是核心云的延伸，可以無縫兼容云平臺軟件和系統(tǒng)，同時具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和本地化能力。

由于邊緣計(jì)算設(shè)備更靠近本地，因此就需要具備高可靠性[5?6]，確保數(shù)據(jù)完整，同時也需要確保機(jī)器能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中正常工作，特別是在電磁兼容EMC方面。因此，根據(jù)SMT工廠的具體需求，本文設(shè)計(jì)一款云邊服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)SMT工廠工業(yè)互聯(lián)的解決方案，如圖2所示。

1? 服務(wù)器的EMC設(shè)計(jì)

服務(wù)器的EMC設(shè)計(jì)[7]主要分為兩個層級，即PCB層級和系統(tǒng)層級，如圖3所示。

1.1? PCB層級的電磁兼容性設(shè)計(jì)[8]

從PCB層級來看，首先要確認(rèn)PCB的結(jié)構(gòu)。本服務(wù)器主板采用標(biāo)準(zhǔn)Micro ATX（240 mm×240 mm），從而降低EMC可控難度。其次，對信號進(jìn)行分類，確定哪些是電磁敏感信號，哪些是非敏感信號[9]。在服務(wù)器設(shè)計(jì)中，高速總線信號包括PCIE，DDR4，USB 3.0等，開關(guān)電源信號、時鐘信號、外圍接口信號需要優(yōu)先考慮和設(shè)計(jì)。以開關(guān)電源為例，其關(guān)鍵元件包括VRM、高速M(fèi)OSFET、電感以及電源過孔等，對于此類信號，需要確保元件附近100 mil以內(nèi)或者元件下面的層，不得走高速信號，不得在50 mil以內(nèi)走低速時鐘信號，30 mil以內(nèi)不得走GPIO信號。

確定了以上關(guān)鍵信號，則需要確定PCB層數(shù)、層間距、信號布局等。本設(shè)計(jì)采用6層PCB設(shè)計(jì)。其堆疊層次如圖4所示，其中第三層和第四層之間的介質(zhì)厚度為第三層的3H。

定義好堆疊結(jié)構(gòu)，確認(rèn)參考面的直流電源的種類，并進(jìn)行高速信號的走線。盡量讓高速信號靠近其參考層面，并減少高速信號的換層。同時電源分割時需要使用縫合電容，確保返回電流路徑最短[10]。

VGA接口通常是服務(wù)器EMC設(shè)計(jì)時最容易忽略的一個關(guān)鍵部件，也是最容易造成電磁輻射的一個部件。本設(shè)計(jì)的VGA接口由BMC AST2400驅(qū)動，其分辨率可達(dá)1 920×1 200@60 Hz，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

BMC內(nèi)部集成大量的功能模塊，同時集成了很多高速數(shù)字總線和模擬總線。因此對于VGA信號，需要把參考平面分成兩部分，即靠近BMC的部分采用數(shù)字地，數(shù)字地為PCB的參考平面地，和靠近VGA接口部分采用模擬地，模擬地通過VGA連接器和機(jī)殼相連。數(shù)字地和模擬地在PCB上隔開，在線路上通過零歐姆電阻連接，避免數(shù)字地上的噪聲傳導(dǎo)到VGA連接器輻射出去;同時也確保了機(jī)殼和PCA主板的參考平面保持同一個電壓位，消除壓降。

基于EMI/EMC的考慮，在BMC的VGA接口到VGA連接器之間需要有濾波處理。本設(shè)計(jì)中的VGA濾波線路采用π型濾波電路，如圖5所示[11?12]。PCA內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲電流會通過電容C1回到源頭，而外部耐受信號則會通過電容C2返回到機(jī)殼，不會進(jìn)入PCA內(nèi)部。

VGA部分線路設(shè)計(jì)圖如圖6所示。其中150 Ω為線路匹配電阻，采用磁珠替代電感，與兩端的6.8 pF電容形成濾波電路。同時磁珠前后兩端的地分開，采用0 Ω連接，確保高頻信號噪聲不會輻射出去，同時外部I/O噪聲也不會進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部。VGA布局布線如圖7所示。

1.2? 系統(tǒng)層級的電磁兼容性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)層次的設(shè)計(jì)主要是機(jī)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，主要涉及到兩個領(lǐng)域的屏蔽設(shè)計(jì)。

1） 線纜屏蔽[13]。線纜屏蔽主要涉及四部分：屏蔽網(wǎng)格密度與類型、線纜阻抗匹配與控制、線纜長度以及位置、需要注意避免高頻區(qū)域。本設(shè)計(jì)線纜較少，主要為MiniSAS線纜，可以采用標(biāo)準(zhǔn)SAS線纜，阻抗90 Ω，來實(shí)現(xiàn)匹配，減少損耗。

2） 機(jī)殼屏蔽[14]。機(jī)殼屏蔽主要涉及四部分：I/O口、螺絲孔、PCI?E插槽、托盤。主板的螺絲孔和主板的地層相連，確保主板和機(jī)殼的地平面保持同一水平。I/O口連接器采用彈片或者彈點(diǎn)與機(jī)殼連接。預(yù)留彈片封住時機(jī)殼接口以防PCI?E插槽不插第三方卡。在保證散熱的前提下，盡量保持在機(jī)殼的任何方向上的尺寸不大于5 mm的開孔。同時確保機(jī)殼的各個部件的鉚合緊密。

2? 測試驗(yàn)證

針對本服務(wù)器，國際電工委員會（IEC）所出版的CISPR?22標(biāo)準(zhǔn)將作為測試的參考標(biāo)準(zhǔn)。CISPR?22標(biāo)準(zhǔn)是信息技術(shù)設(shè)備的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，按照產(chǎn)品種類分為CLASS A和CLASS B兩類。相較而言，CLASS B的要求要比CLASS A嚴(yán)格，如表1所示[15]。本次測試驗(yàn)證主要參考CLASS B，并且主要討論10 m測試距離的結(jié)果。

按照測試配置要求和流程，對該產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射（RE）測試。輻射發(fā)射測試是測試被測物體通過空間傳播的輻射干擾場強(qiáng)，實(shí)質(zhì)上就是測試產(chǎn)品中兩種等效天線（信號環(huán)路和單級天線）所產(chǎn)生的輻射信號。通過測試發(fā)現(xiàn)，輻射發(fā)射在多個頻率點(diǎn)處超過容限值，無法通過。特別是在300 MHz以下的部分，輻射嚴(yán)重，如圖8所示。

重新從PCB和系統(tǒng)層級審視EMC設(shè)計(jì)，從PCB層級來看，當(dāng)前版本的VGA連接器不帶EMI屏蔽設(shè)計(jì)，如圖9a）所示。這樣在PCA的參考平面和機(jī)殼之間產(chǎn)生壓降，同時也容易形成大的環(huán)路，從而導(dǎo)致電磁場輻射。

從系統(tǒng)級來看，服務(wù)器機(jī)構(gòu)存在兩大問題：

1） 散熱孔超出規(guī)格;

2） 機(jī)殼接縫處搭接不良。

孔徑超過5 mm的機(jī)殼如圖10a）所示。

基于此，針對系統(tǒng)級的EMC進(jìn)行方案修正，采用鋁箔紙封住部分散熱孔，同時確保機(jī)殼之間接觸良好，如圖10b）所示，重新進(jìn)行測試。結(jié)果如圖11所示，可以看出整個EMC性能大大提高，但依舊還有4個頻率點(diǎn)沒過。原因可能在于鋁箔紙留的空隙依舊很大，如果能夠縮小到5 mm，效果會更好。

同時，對PCA進(jìn)行修改，采用帶EMI屏蔽的VGA連接器，如圖9b）所示，結(jié)合修改后的機(jī)殼，通過螺絲加強(qiáng)與機(jī)殼之間的接觸，再次打板和進(jìn)行新的機(jī)構(gòu)制造，組裝后重新進(jìn)行輻射干擾測試，如圖12所示。從圖12中可以看到，測試結(jié)果通過。

3? 結(jié)? 語

對于云邊服務(wù)器來說，電磁輻射不僅僅在VGA部分，而是處處都存在。本文以VGA部分為例來闡述在SMT工廠等各種生產(chǎn)環(huán)境中存儲型云邊服務(wù)器的電磁兼容性設(shè)計(jì)所需要考慮的各個方面。從中可以看出，在EMI/EMC設(shè)計(jì)中，不僅需要硬件工程師的努力，同時也需要機(jī)構(gòu)工程師、PCB布線工程師的共同配合，緊密合作，才能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高開發(fā)效率和質(zhì)量，并大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時間和成本。

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