車載通訊終端PCB晶振輻射騷擾的研究與整改

常 君，葉 丹，肖劍閣，王寅冬，孫宏宇

（東軟集團(tuán) （大連）有限公司，遼寧 大連 116085）

1 引言

隨著現(xiàn)代汽車電子設(shè)備的數(shù)量和密度增加，電磁兼容已成為汽車電子設(shè)備故障的一個(gè)重要和關(guān)鍵原因，對(duì)汽車的安全性、可靠性、舒適性起著決定性作用。各個(gè)車企針對(duì)其產(chǎn)品的電磁兼容要求或依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或有自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)也是供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試階段的重要依據(jù)。

以車載通訊終端 （T-box）為例，該產(chǎn)品在前期設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)車企標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容輻射騷擾項(xiàng)目預(yù)測(cè)試，來確認(rèn)產(chǎn)品是否符合車企的要求。當(dāng)預(yù)測(cè)試中出現(xiàn)輻射超標(biāo)點(diǎn)時(shí)，需要針對(duì)輻射騷擾源進(jìn)行詳細(xì)的排查，并采取一定的技術(shù)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)整改，從而降低產(chǎn)品對(duì)外輻射的能量，達(dá)到車企的要求。

2 測(cè)試及整改過程

2.1 測(cè)試布局環(huán)境

輻射測(cè)試布局依據(jù)如圖1所示，根據(jù)車企標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試頻率在470MHz以上時(shí)，要求天線中心正對(duì)產(chǎn)品中心，天線置放分水平和垂直兩個(gè)方向，T-box水平置放在測(cè)試臺(tái)上，工作在正常模式。實(shí)際布局如圖2所示。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線垂直方向置放檢測(cè)時(shí)，在頻率為470~800MHz范圍內(nèi)，該產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生兩處頻點(diǎn) （783.35MHz，800MHz）輻射限值超出了車企標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍，并且通過直接輻射的形式對(duì)測(cè)試空間造成電磁干擾，因此需要整改。測(cè)試曲線如圖3所示，測(cè)試結(jié)果詳見表1。

圖2 實(shí)際布局圖

針對(duì)測(cè)試曲線結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試曲線中有一個(gè)25MHz的3分頻干擾尖峰脈沖疊加在基礎(chǔ)曲線上，造成局部測(cè)量值超標(biāo)，并且此尖峰脈沖伴隨著470~800MHz整個(gè)區(qū)間。因此，需要結(jié)合產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)，詳細(xì)追查此干擾來源。

2.2 問題分析

騷擾源查找：通過對(duì)晶振電路原理分析 （圖4），晶振的匹配電容 （C688、C689）、限幅電阻 （R732、R733）、并接電阻 （R142）一應(yīng)俱全，并且發(fā)振裕度測(cè)試也是良好的，問題可能出在PCB設(shè)計(jì)上，對(duì)布局、布線進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，此PCB電路板為6層，在第1層至第6層都進(jìn)行了晶振地回路隔離，在第2層進(jìn)行了晶振回路單點(diǎn)接地，發(fā)現(xiàn)晶振的地回路阻抗太大。如圖5所示。

耦合途徑：此干擾脈沖屬于高頻段，是通過空間耦合方式輻射到測(cè)試空間的。

圖3 測(cè)試曲線圖

整改方法：降低地回路阻抗，因此，最有效的方案就是在第6層上整改。

表1 測(cè)試曲線數(shù)據(jù)

圖4 原理圖

2.3 整改方法

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)現(xiàn)有電路進(jìn)行整改，在不完全改動(dòng)PCB布局的情況下將晶振回路第6層底部PCB獨(dú)立地與周邊地連接，加強(qiáng)接地環(huán)路，降低地回路阻抗，如圖6所示。經(jīng)重新測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，由圖中可以看出整改后效果顯著，尤其是783.35MHz和800MHz兩處余量>6dB，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射限值要求。復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如表2所示。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)

在通常電路設(shè)計(jì)中，造成電磁兼容輻射超標(biāo)的原因是多方面的，最典型的輻射源莫過于晶振回路，因此在設(shè)計(jì)源頭上就應(yīng)該采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可以從原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)兩方面入手。

圖5 PCB

表2 復(fù)測(cè)曲線數(shù)據(jù)

圖6 整改PCB第6層

圖7 復(fù)測(cè)圖片

3.1 原理圖設(shè)計(jì)方面

通常針對(duì)晶振回路采用的方法如下。

1）匹配電容：選用匹配的晶振起振電容，并且需要測(cè)試晶振的發(fā)振裕度。

2）限幅電阻：預(yù)留限幅電阻，減小晶振輸出的振動(dòng)能量，避免過度的EMC輻射能量。

3）并聯(lián)電阻：預(yù)留并聯(lián)電阻，可以穩(wěn)定晶體阻抗，提高震蕩電路的穩(wěn)定性。

3.2 PCB設(shè)計(jì)方面

通常針對(duì)晶振回路采用的方法如下。

1）晶振的濾波電容與匹配電阻布局需按照信號(hào)流向自然排布，且靠近晶振擺放整齊、緊湊，避免空間過大，濾波電容的回流地路徑一定要短。

2）晶振回路布線靠MCU越近越好，防止受到其他信號(hào)干擾，當(dāng)然也防止它干擾別的線路；走線盡量短而直，線寬>10mil，線路所有轉(zhuǎn)折處要以弧角處理 （不可有尖角，避免尖端聚積電荷）。

3）晶振輸出端引線與MCU在PCB的布局在同一層，不能有過孔和穿層。

4）晶振回路布局要遠(yuǎn)離l/O接口處，避免距離I/O口過近，通過接口縫隙對(duì)外有EMC輻射。

5）晶振回路不要靠近板邊，且板邊走地線環(huán)繞時(shí)，需打通孔。

6）晶振回路下面所有層不能走線，尤其是高速信號(hào)線。

7）晶振回路要遠(yuǎn)離電源線以及其他敏感信號(hào)線，尤其是數(shù)字信號(hào)線，如時(shí)鐘CLK、數(shù)據(jù)TX、RX線等。

8）晶振回路附近不要有開關(guān)電源回路，尤其是DC/DC電感器件。

9）晶振回路周邊要做包地走線處理，并且要打屏蔽地孔。

10）為了減小輻射，可對(duì)晶振回路及MCU電路預(yù)留屏蔽殼。

11）晶振回路在PCB上的影射區(qū)域要有完整的鋪GND銅皮。

12）盡量選擇鐵殼晶振，因其抗干擾能力強(qiáng)。

13）晶振回路附近不要擺放大功率器件，如電源芯片、MOS管、電感等發(fā)熱量大的功率器件；同時(shí)也不要有敏感器件，例如G-sensor芯片。

4 結(jié)語

電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)是汽車電子產(chǎn)品不可缺少的試驗(yàn)，尤其很多含有晶振電路的設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，很容易出現(xiàn)由于晶振輻射過大造成輻射超標(biāo)的現(xiàn)象。因此需要針對(duì)干擾源的晶振回路進(jìn)行整改，以上方法對(duì)于通過該試驗(yàn)具有一定的幫助。縱觀實(shí)驗(yàn)的整改過程，深深體會(huì)到，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就需要對(duì)晶振回路PCB設(shè)計(jì)和布局進(jìn)行充分考慮，包括對(duì)以往問題點(diǎn)的避讓等，都能夠在一定程度上降低實(shí)驗(yàn)成本。本文的思路和方法也可以用于其他設(shè)備中的晶振設(shè)計(jì)和整改方面的參考。