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        晶振引發(fā)的EMC輻射發(fā)射超標分析及整改方案設計概述

        2021-02-26 14:54:26
        科學與信息化 2021年4期

        大連云動力科技有限公司 遼寧 大連 116023

        1 EMC輻射實驗現象描述

        某產品進行EMC輻射發(fā)射測試,產品采用DC5V供電,該產品的輻射發(fā)射水平和垂直兩種測試的頻譜如下圖所示,在150M、175M、199M處嚴重超標,不符合認證要求。

        圖1 發(fā)射水平和垂直兩種測試的頻譜

        2 輻射發(fā)射超標原因分析

        根據實驗報告可知,測試超標的頻點大致為25的倍數,有很強的規(guī)律性,為尋找發(fā)射源提供了很好的線索。進一步分析可知,PCB上剛好有25M無源晶振作為W5500的外置晶振,所以極有可能是此處引起的超標。EMC三要素是干擾源,被干擾對象和干擾路徑。結合本次實驗報告顯示出的頻點的周期性,本次整改可以從源頭修正,即優(yōu)化晶振的布局和走線[1]。

        圖2 PCB雙面板

        圖2這一版本PCB是雙面板,晶振與其對應的芯片W5500不在一個層面,XIN和XOUT兩個引腳引出后打了過孔,晶振時鐘走線過于曲折,與芯片距離比較遠,可能會產生很多不必要的高次諧波,甚至形成發(fā)射天線。盡管PCB形狀和大小都有限制,但是晶振作為時鐘,屬于關鍵信號線,在布局上一定要從優(yōu)安排。

        另外此版本晶振的位置離PCB板邊緣很近,晶振放在電路板邊緣,則會造成晶振的回流地面積不夠充裕,從而引發(fā)EMC問題。

        3 EMC整改措施

        優(yōu)化晶振的走線,降低干擾,通常有如下做法:

        (1)晶振自身的屏蔽性能要好,晶振接地。

        (2)晶振XIN和XOUT盡可能靠近IC引腳,走線盡可能短,與其他信號線保持一定距離,最好進行包地。

        (3)晶振底下最好不要走線,尤其需要避免高速信號線。

        本次整改首先從雙面板改為四層板,四層板中的電源和地各自獨立一層,完整的地平面作為參考平面,這樣做有一定的屏蔽作用。對于高頻、高速、時鐘這類較為關鍵的信號線,它們與地線之間的距離僅為PCB板的層間距離,電流也會在信號線正下方的地線上流動,信號環(huán)路面積達到最小,從而減小輻射。

        晶振和芯片放在同一層面,盡可能靠近芯片引腳,減小芯片XIN和XOUT引腳到晶振兩個對應引腳的走線長度,并進行包地處理,以免將干擾耦合到其他信號線,晶振的地包圍單點接到地層,詳見圖3。

        5V進電端和5V轉3.3V后的輸出端加去耦電容和磁珠,使電源紋波控制在5%以內,增強電源的穩(wěn)定性和抗干擾性,減少雜波。W5500芯片的VDD和AVDD與3.3V之間用120R的磁珠隔開,減小電源雜波對芯片的干擾。元器件更換為同參數的屏蔽性能更好的晶振。

        圖3 晶振走線示意圖

        4 整改后測試結果

        整改后產品測試結果如圖4所示,最小余量為0.65,測試通過。

        圖4 整改后發(fā)射水平和垂直兩種測試的頻譜

        5 加深研究與分析

        PCB是元器件和電子電路的連接橋梁,PCB設計的好壞會直接影響產品的抗干擾能力。PCB尺寸確定后,特殊元器件應該優(yōu)先排布,并進行合理的設計,避免產生諸多噪聲進而引起EMC問題。

        其次是地面完整性問題。輻射發(fā)射超標的雙面板版本中,晶振并沒有進行包地處理,PCB板元器件較多,元器件排布比較緊密,所以也沒有條件形成完整的地平面,晶振的走線也沒有達到最短,形成的噪聲耦合到旁邊的信號線也會通過連接器帶出PCB,導致輻射超標。

        最后就是晶振自身,在成本和電參數滿足的前提下,盡可能使用上升時間長的時鐘,因為上升時間短的時鐘諧波能量高于上升時間長的時鐘,上升時間長的時鐘可以減少一些諧波的干擾。另外,頻率低的時鐘諧波成分低于頻率高的時鐘,在系統(tǒng)可以正常工作的前提下,盡可能選擇頻率低的時鐘。

        6 結束語

        EMC輻射發(fā)射晶振倍頻超標很難一次性處理好,所以項目前期需要格外重視晶振的布局、走線,并且盡可能的預留可以降干擾的元器件,以免出現問題后改板打樣,浪費時間。其次選擇合適的可靠的晶振也尤為重要,如果EMC要求很嚴格,在成本允許的前提下,盡可能選擇大廠生產的晶振,并且了解晶振自身的檢測報告。在條件允許的情況下,項目前期最好進行相關測試。

        以上為本次晶振引發(fā)EMC輻射發(fā)射問題的分析與整改,通過更改PCB走線和布局,通過了產品的相關認證。

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