張 戟，石 娟，楊騰飛

(1，2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804;3.德?tīng)柛Ｖ袊?guó)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(shí)鐘/總線信號(hào)上升沿時(shí)間的下降，信號(hào)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(jī)理、準(zhǔn)確地診斷出輻射源以及找出整改措施已變得勢(shì)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(jī)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(hào)會(huì)耦合到電纜上，因此往往電纜輻射是更主要的輻射貢獻(xiàn)者.但歸根到底，接插件電纜的輻射也是來(lái)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(gè)電偶極子模型，利用電偶極子輻射場(chǎng)的計(jì)算公式可以算得差模電流的最大輻射電場(chǎng)強(qiáng)度為［3］其中，E為電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng);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(qiáng)度;r為測(cè)試點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)與電流的強(qiáng)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(cè)試點(diǎn)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(jì)算得共模輻射公式為:

其中，E為電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng);f為共模電流的頻率;I為共模電流的強(qiáng)度;r為測(cè)試點(diǎn)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(chǎng)，可以選擇減小電流和減小導(dǎo)線長(zhǎng)度兩種方法.

假設(shè)存在一對(duì)1米長(zhǎng)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(jì)算出這對(duì)差模電流和共模電流在距離1米遠(yuǎn)處所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)度分別為7.9mV/m，756mV/m.

可見(jiàn)，同樣幅值的共模電流和差模電流所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)度竟然相差達(dá)100倍，這充分說(shuō)明了對(duì)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(jī)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(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型.電流驅(qū)動(dòng)型的共模噪聲電壓是由于時(shí)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(dòng)型的共模噪聲電壓則是直接來(lái)源于電路中的差模電壓(比如芯片的某個(gè)管腳上或者連接器處的差模電壓)［4］.這兩種驅(qū)動(dòng)方式，最初是由Elishakoff等人在其論文中提出并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行的驗(yàn)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(jī)理.文獻(xiàn)［6］用了一個(gè)簡(jiǎn)化的信噪比模型來(lái)解釋電路板上共模電流的產(chǎn)生機(jī)理，前面所說(shuō)的兩種模型最終都可以歸結(jié)到這個(gè)模型上.

圖1 C樣機(jī)線纜共模電流頻譜.測(cè)量頻帶100至500MHz，測(cè)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(guò)前邊的研究，了解了共模輻射產(chǎn)生機(jī)理，為了更好地定位電路板輻射源，希望通過(guò)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)出一套PCB輻射發(fā)射問(wèn)題診斷的方法.目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)VMS輻射發(fā)射性能做全面的分析，確定引起輻射發(fā)射問(wèn)題的電路板設(shè)計(jì)缺陷為下一版本的電路板設(shè)計(jì)提供重要參考.

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

(1)確定電路板輻射超標(biāo)的頻率點(diǎn)

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)整車(chē)控制器以及其附屬線纜進(jìn)行共模電流的測(cè)量，控制器通過(guò)兩個(gè)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(fù)載箱.模擬負(fù)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(zhǎng)度為2m，其中平行于參考地平面前沿的一段長(zhǎng)為1.5m.

測(cè)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(cè)量的結(jié)果與背景噪聲相比較的結(jié)果，圖所示是320MHz處實(shí)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(guò)EMSCAN定位PCB輻射噪聲源

使用EMSCAN對(duì)電路板進(jìn)行近場(chǎng)掃描，可以看到電路板上區(qū)域A處的近場(chǎng)輻射強(qiáng)度是最大的［7］，且其頻譜峰值點(diǎn)和共模電流頻譜上的峰值點(diǎn)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(mén)狗芯片，其連接的信號(hào)包括SPI總線和Proreset#復(fù)位信號(hào)線.使用電壓探頭測(cè)量這幾個(gè)信號(hào)線上的電壓頻譜，發(fā)現(xiàn)Proreset#信號(hào)線在很寬的頻譜范圍內(nèi)都有 非常強(qiáng)的噪聲電壓(參見(jiàn)圖5).

圖3 控制器近場(chǎng)輻射測(cè)量結(jié)果

查看控制器原理圖［7］，發(fā)現(xiàn)Proreset#信號(hào)線并沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何濾波措施，而是直接從單片機(jī)管腳引出.信號(hào)線上的噪聲電壓將通過(guò)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(jī)的電源地管腳，觀察Proreset#信號(hào)線的返回路徑，發(fā)現(xiàn)信號(hào)管腳與單片機(jī)電源地管腳之間的地平面存在著由大量過(guò)孔的Antipad形成的空槽(參見(jiàn)圖4).

圖4 Proreset#信號(hào)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(dāng)于增加了噪聲電流的回流阻抗.噪聲電流將在這個(gè)阻抗上產(chǎn)生噪聲電壓.使用電壓探頭測(cè)量空槽兩端(測(cè)量點(diǎn)A和測(cè)量點(diǎn)B)的地網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在高頻的電壓差.

由此可以判斷，Proreset#信號(hào)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(dòng)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(guò)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(guò)，因此要將所有信號(hào)線都引出必須使用過(guò)孔將走線引到電路板背面.但正如在C樣機(jī)上所看到的，假如放置一排過(guò)孔，過(guò)孔的Antipad勢(shì)必將在電源/地平面上形成空槽，使得這一區(qū)域信號(hào)電流返回路徑的阻抗升高，且很有可能會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓.因此，在改版的電路板設(shè)計(jì)中，對(duì)單片機(jī)針腳扇出的過(guò)孔(特別是數(shù)據(jù)/地址總線區(qū)域)進(jìn)行了特殊 的安排，防止出現(xiàn)整排過(guò)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(guò)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(hào)線的過(guò)孔錯(cuò)開(kāi)布置以避免地平面上大面積的空槽出現(xiàn)

對(duì)于電路板其他過(guò)孔比較集中的區(qū)域，將臨近兩個(gè)過(guò)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(cuò)開(kāi)過(guò)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(xiàn)者是共模輻射.根據(jù)對(duì)控制器的輻射發(fā)射診斷方法，利用電磁兼容測(cè)試平臺(tái)對(duì)文中控制器的輻射發(fā)射問(wèn)題進(jìn)行了診斷，結(jié)果證明了本診斷方法具有一定的準(zhǔn)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(rèn)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(chē)控制器的輻射發(fā)射問(wèn)題分析與診斷［J］.機(jī)械與電子，2011，24(6):47 －50.