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(wù)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(wù)器終端在電子產(chǎn)品電磁兼容認(rèn)證中經(jīng)常遇見的輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾測(cè)試項(xiàng)目，重點(diǎn)從PCB板級(jí)電路EMC設(shè)計(jì)方面進(jìn)行測(cè)試不合格原因分析，并給出整改對(duì)策。并由此案例引出電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)，以圖能給電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師提供參考，使其能以較高概率一次性通過EMC認(rèn)證。

電磁兼容；輻射騷擾；傳導(dǎo)騷擾

引言

當(dāng)今在某些農(nóng)村金融社保、電子政務(wù)大廳、大型購物商場(chǎng)、中西餐飲服務(wù)業(yè)、高檔百貨商場(chǎng)、精品屋、便利店、銀行服務(wù)業(yè)、互動(dòng)多媒體、廣告播放系統(tǒng)等場(chǎng)合經(jīng)?？梢姷侥軌蛑С帧爸袊苿?dòng)、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(shí)別、WIFI通訊、藍(lán)牙通訊、拍照、指紋識(shí)別、IC卡讀寫”等功能的社保（終端/便民/訪客）服務(wù)器終端（以下簡(jiǎn)稱：終端）。此類終端產(chǎn)品的電路模塊多、功能也較復(fù)雜；但從它使用的場(chǎng)合來看，往往對(duì)產(chǎn)品可靠穩(wěn)定運(yùn)行要求較高，然而這兩者無疑是一對(duì)矛盾體。本文將圍繞某終端進(jìn)行中國強(qiáng)制性認(rèn)證（China Compulsory Certification，CCC）電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目-輻射騷擾、電源、電信端口騷擾電壓測(cè)試，重點(diǎn)從PCB板級(jí)電路電磁兼容設(shè)計(jì)方面分析其測(cè)試不合格原因、并給出整改對(duì)策，最后總結(jié)出相關(guān)電子產(chǎn)品PCB板級(jí)電路電磁兼容設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

1 不合格現(xiàn)象描述

該終端產(chǎn)品進(jìn)行EMC認(rèn)證的主要依據(jù)是GB/T 17618-2015[1]《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》和GB/T 9254-2008[2]《信息技術(shù)設(shè)備無線電騷擾限值和測(cè)量方法》。該終端產(chǎn)品進(jìn)行EMC初次認(rèn)證時(shí)，發(fā)射類和抗擾度試驗(yàn)大多數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目均存在不合格現(xiàn)象。由于本文將重點(diǎn)從PCB EMC設(shè)計(jì)角度剖析輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾超標(biāo)的機(jī)理。因此，以下僅給出電源端、電信端口傳導(dǎo)騷擾及30 MHz-1 GHz輻射發(fā)射初次測(cè)試結(jié)果。

1）電源端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試

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

2）電信端口傳導(dǎo)騷擾測(cè)試

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

3）30 MHz-1 GHz輻射發(fā)射測(cè)試

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

2 原因分析

2.1 傳導(dǎo)騷擾超標(biāo)分析

電源端傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的實(shí)質(zhì)是測(cè)試電源線發(fā)射出的流過LISN內(nèi)部的1 KΩ與EMI接收機(jī)內(nèi)部50 Ω的并聯(lián)后約50 Ω上電流大小。

1）13.56 MHz超標(biāo)原因分析

從圖1電源端傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)13.56 MHz超標(biāo)，并且27.12 MHz雖然沒有超標(biāo)，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(nèi)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(cè)，找到二代身份證是利用13.56 MHz的RFID系統(tǒng)進(jìn)行非接觸式身份識(shí)別。因此，導(dǎo)致13.56 MHz發(fā)射超標(biāo)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(jìn)行交換的。這種PCB設(shè)計(jì)缺陷容易導(dǎo)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(hào)易轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)[3]，并由二代證讀卡器的電源線以傳導(dǎo)方式將13.56 MHz發(fā)射出去。

圖1 傳導(dǎo)騷擾電源端初次測(cè)試結(jié)果

圖2 傳導(dǎo)騷擾電信端口初次測(cè)試結(jié)果

圖3 輻射發(fā)射初步測(cè)試結(jié)果

2）340 kHz及高次諧波超標(biāo)原因分析

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

2.2 輻射發(fā)射超標(biāo)原因分析

如圖4中箭頭所示，用近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭在核心板上沿?cái)z像頭驅(qū)動(dòng)排線進(jìn)行近場(chǎng)掃描，發(fā)現(xiàn)更改屏的分辨率后，出現(xiàn)的超標(biāo)頻點(diǎn)均不一致。當(dāng)屏幕分辨率最高為1 080 P時(shí)，在43.75 MHz、131.25 MHz、和218.75 MHz頻點(diǎn)超標(biāo)幅度較大，細(xì)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(duì)攝像頭工作原理進(jìn)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(shí)鐘，并通過I2C總線對(duì)攝像頭的分辨率、曝光率和色度等參數(shù)進(jìn)行配置；然后攝像頭根據(jù)參數(shù)配置自動(dòng)計(jì)算出數(shù)據(jù)回傳同步時(shí)鐘CAM_PCLK，同時(shí)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(dāng)攝像頭分辨率最高時(shí)，自動(dòng)計(jì)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(dá)25 cm，CAM_PCLK布線長度已經(jīng)不再是“電小尺寸”了，已構(gòu)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(dǎo)騷擾整改措施

1）新增屏蔽電感

開關(guān)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(guān)頻率發(fā)射條件。

2）更改RFID身份識(shí)別流程

更改后的RFID身份識(shí)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(shí)別流程圖

由于更換電感后，對(duì)終端進(jìn)行電源端和電信端傳導(dǎo)騷擾復(fù)測(cè)仍然存在13.56 MHz超標(biāo)。二代身份證模塊是由相關(guān)部門指定生產(chǎn)，只有一個(gè)由插孔構(gòu)成的數(shù)據(jù)讀寫接口。因此，二代證接口板的設(shè)計(jì)受到供電、尺寸大小和安裝位置等因素限制，加之RFID身份識(shí)別系統(tǒng)沒有必要進(jìn)行連續(xù)不斷的發(fā)射射頻信號(hào)。因此，基于身份訪問習(xí)慣，通過修改ARM和二代證接口板MCU軟件流程，以達(dá)到“點(diǎn)擊一次，識(shí)別一次”，使整個(gè)傳導(dǎo)測(cè)試過程中連續(xù)不斷發(fā)射13.56 MHz的射頻信號(hào)，變成僅在身份識(shí)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(hào)耦合到電源線上的風(fēng)險(xiǎn)。

通過以上兩項(xiàng)措施，整改后電源端、電信端口傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)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(gè)頻點(diǎn)均有較大裕量。

3.2 輻射騷擾整改措施

終端產(chǎn)品在自動(dòng)對(duì)焦或定焦攝像頭工作時(shí)，輻射超標(biāo)最嚴(yán)重。由于某些客觀因素未能對(duì)核心板進(jìn)行PCB重新改板優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，對(duì)輻射發(fā)射超標(biāo)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(duì)互連線束進(jìn)行雙絞，并對(duì)互連線束兩端套磁環(huán)吸收。

2）對(duì)攝像頭并行走線的FPC進(jìn)行嚴(yán)格的阻抗控制，將CMOS工作的時(shí)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(jìn)行屏蔽。

3）對(duì)終端底板和上蓋板的內(nèi)壁進(jìn)行噴導(dǎo)電油漆，使43.75 MHz及其高次諧波屏蔽在機(jī)殼內(nèi)部，需注意的是導(dǎo)電漆受溫度影響較大，時(shí)間久了易老化脫落，因此，使用此種方案時(shí)需慎重考慮。

通過以上幾種措施，輻射發(fā)射整改后測(cè)試結(jié)果見圖8所示。

圖6 傳導(dǎo)騷擾電源端口整改后測(cè)試結(jié)果

圖7 傳導(dǎo)騷擾電信端口整改后測(cè)試結(jié)果

圖8 輻射騷擾整改后測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)終端產(chǎn)品傳導(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注以下兩點(diǎn)：

1） PCB設(shè)計(jì)需結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)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(duì)電路功能復(fù)雜的產(chǎn)品，盡量在同一塊PCB上實(shí)現(xiàn)，即使需要由多塊PCB來實(shí)現(xiàn)電氣功能，各PCB間的信號(hào)連接的處理需特別謹(jǐn)慎。如單板PCB各電源端口需進(jìn)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(qū)動(dòng)連接線束導(dǎo)致的共模輻射和增強(qiáng)PCB抗電磁干擾的能力。

2） 開關(guān)電源設(shè)計(jì)。對(duì)于單板EMC設(shè)計(jì)來講，開關(guān)電源帶來的電磁騷擾超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)很大。開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷瞬間，轉(zhuǎn)換時(shí)間大多小于100 ns[4]，由此導(dǎo)致較大的di/dt（V=Ldi/dt），開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)時(shí)需盡量減小由過孔、走線帶來的寄生電感L。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)布線需盡量寬而短、去耦電容就近放置在開關(guān)芯片引腳處、優(yōu)選屏蔽電感以及避免或減小開關(guān)環(huán)路等。

[1] GB/T 17618-2015,信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法[S].

[2] GB 9254-2008,信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法[S].

[3] 江思敏.PCB和電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.3

[4] 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)：第2版/（美）馬尼克塔拉（Maniktala,S）著；王健強(qiáng)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(xué)，碩士學(xué)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(zhì)量安全檢測(cè)中心電磁兼容室工程師，主要從事電磁兼容檢測(cè)、設(shè)計(jì)與對(duì)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