鐘科，余曉梅，鐘方旭

（1.成都三零嘉微電子有限公司，成都 610041；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十研究所，成都 610041）

引言

當(dāng)今信息大爆炸時(shí)代，通信類產(chǎn)品在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)家3C認(rèn)證規(guī)定，接入互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)的通信設(shè)備，必須通過(guò)GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測(cè)試后才能進(jìn)入市場(chǎng)。在眾多測(cè)試項(xiàng)目中，輻射發(fā)射騷擾測(cè)試是最難通過(guò)的項(xiàng)目。本文通過(guò)某款通信產(chǎn)品的輻射發(fā)射超標(biāo)整改過(guò)程，從原理圖和PCB布局布線方面歸納幾點(diǎn)設(shè)計(jì)建議，以便工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期參考，綜合考慮產(chǎn)品電磁兼容問(wèn)題，從源頭提前進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，避免反復(fù)整改帶來(lái)的時(shí)間和成本損失。

1 問(wèn)題現(xiàn)象

某型通信設(shè)備在按照GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)輻射發(fā)射超標(biāo)的情況如圖1所示。從圖中可以看出設(shè)備整體電磁輻射噪聲比較低，但在500 M~1 G頻段范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)單頻點(diǎn)超標(biāo)，在750 MHz處最高超標(biāo)值達(dá)到8.7 dBuV/m。

圖1 某型設(shè)備輻射發(fā)射曲線圖

2 問(wèn)題分析與排查

該設(shè)備架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，交流220 V電源供電，通過(guò)網(wǎng)線與屏蔽室外筆記本電腦ping包，初步懷疑干擾是通過(guò)網(wǎng)線發(fā)射出來(lái)的。拔掉網(wǎng)線再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn)，拔掉網(wǎng)線后在超標(biāo)頻點(diǎn)處輻射發(fā)射大幅下降，但是余量仍然不足，在500 MHz處僅有0.8 dB余量，并且該設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口是其主要功能，按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)網(wǎng)線必須連接。

圖2 某型設(shè)備拔掉網(wǎng)線后輻射發(fā)射曲線圖

該設(shè)備機(jī)箱為開(kāi)放式架構(gòu)，機(jī)箱上有大量孔洞及縫隙，且有一面為塑料結(jié)構(gòu)，很難在加強(qiáng)屏蔽方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。只能從主板上進(jìn)行分析，輻射超標(biāo)頻點(diǎn)為單頻點(diǎn)超標(biāo)，單根信號(hào)一般情況下是時(shí)鐘的倍頻，猜測(cè)輻射源為主板上時(shí)鐘信號(hào)及其高次諧波。

仔細(xì)檢查主板原理圖，該主板上總共使用9顆晶振，逐一對(duì)其進(jìn)行記錄檢查，每根時(shí)鐘信號(hào)走線及匹配情況如表1所示。從表1可以看出，該主板有多顆時(shí)鐘晶振，最大時(shí)鐘頻率為100 MHz，其次50 MHz頻率的時(shí)鐘晶振有5顆。

表1 設(shè)施卡時(shí)鐘布線概述

逐一檢查主板原理圖對(duì)晶振及時(shí)鐘信號(hào)的濾波處理，原理圖如圖3所示。晶振電源上串聯(lián)磁珠且并聯(lián)兩個(gè)大小電容進(jìn)行濾波處理，在時(shí)鐘發(fā)送端串聯(lián)22 Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配以減少高次諧波的輻射。初看之下晶振及時(shí)鐘信號(hào)原理圖部分的設(shè)計(jì)并無(wú)不妥，濾波匹配都進(jìn)行了設(shè)計(jì)。進(jìn)一步仔細(xì)查看元器件技術(shù)規(guī)格書(shū)，晶振電源上串聯(lián)磁珠使用的是風(fēng)華高科的CBG100505U600T磁珠，此顆磁珠的頻率阻抗圖如圖4所示，可以看出該磁珠在輻射超標(biāo)頻段（500~1 000）M的阻抗僅有100 Ω左右，高頻濾波效果一般。風(fēng)華高科另一型號(hào)的磁珠CBG100505U201T 在設(shè)備超標(biāo)頻段（500~1 000）M阻抗可達(dá)400 Ω左右，高頻抑制效果更佳。

圖3 主板晶振原理圖

圖4 兩款磁珠頻率阻抗曲線圖

表2 電容的諧振頻率

磁珠之后濾波電容使用的是10 uF與0.1 uF的陶瓷電容并聯(lián)，由于電容的寄生電感效應(yīng)，此電容組合只對(duì)10 MHz級(jí)別的噪聲有濾波作用（表1），對(duì)更高頻率的噪聲無(wú)能為力。電容的等效電路是C、L、R組成，由于電容的寄生電感效應(yīng)，電容只在其諧振頻率帶寬附近有效發(fā)揮濾波作用。該主板上所有IC旁邊放置的濾波電容均為0.1 uF，此電容有效濾波帶寬為16 MHz附近，對(duì)高頻時(shí)鐘噪聲無(wú)法起到很好的抑制作用。

為了在更寬的頻譜范圍內(nèi)降低高頻噪聲，常用的濾波做法是將多個(gè)去耦電容并聯(lián)。多個(gè)去耦電容并聯(lián)不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減小引線自感，因此也就能更有效的改善去耦能力。兩個(gè)電容的取值應(yīng)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以在更寬的頻譜范圍內(nèi)提供更有效的高頻去耦能力。綜合考慮后對(duì)時(shí)鐘晶振電源的去耦電容選取如0.1 μF + 0.001 μF陶瓷電容并聯(lián)。

時(shí)鐘信號(hào)快速的邊沿變化是重要的高頻干擾源之一。在保證設(shè)備功性能的前提下適當(dāng)減緩時(shí)鐘信號(hào)邊沿可以有效降低高頻諧波的能量發(fā)射。良好的阻抗匹配可以減輕信號(hào)反射導(dǎo)致的過(guò)沖振鈴等，串聯(lián)匹配可以減緩時(shí)鐘信號(hào)的上升/下降時(shí)間并能平滑過(guò)沖及振鈴信號(hào)，從而減小時(shí)鐘信號(hào)高次諧波的輻射發(fā)射。串聯(lián)匹配電阻通常采用（22~50）Ω的電阻，不影響功能的情況下電阻值盡量選取大一些效果更佳，電阻的位置應(yīng)盡量靠近IC輸出引腳。

晶振的輸出時(shí)鐘線上串聯(lián)了一顆22 Ω的電阻，此電阻可以起到串聯(lián)匹配的效果，對(duì)于高頻時(shí)鐘信號(hào)線還需要預(yù)留一個(gè)對(duì)地電容，為了不影響時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量，需要根據(jù)高次諧波的頻率選擇電容容值，一般為幾十pF級(jí)別，組成RC濾波，降低時(shí)鐘的邊沿陡峭程度。

3 整改措施

結(jié)合上述分析三點(diǎn)情況，對(duì)主板做以下整改工作：

晶振輸入電源上的串聯(lián)磁珠由CBG100505U600T更換為高頻性能更好的CBG100505U201T。并聯(lián)電容更換為0.1 uF與1 000 pf的電容組合。時(shí)鐘線上的串聯(lián)匹配電阻22 Ω略微偏小，將所有時(shí)鐘線上的串聯(lián)匹配電阻由22 Ω調(diào)整為33 Ω，整改后晶振原理圖如圖5所示。

圖5 整改后晶振原理圖

主板所有IC的電源對(duì)地并聯(lián)濾波電容都是0.1 uf，取其中一些距離IC芯片較近的更換為（0.01~1 000）pf的高頻電容，加強(qiáng)整個(gè)主板的高頻濾波效果。

按照上述方式整改后再次進(jìn)行測(cè)試，插上網(wǎng)線正常進(jìn)行ping包，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，對(duì)主板上晶振及時(shí)鐘信號(hào)的處理是非常有效果的，各頻段輻射發(fā)射都在標(biāo)準(zhǔn)限值以下，但是發(fā)射余量不大，僅有0.8 dB的余量，比較極限。對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)室不同的批次產(chǎn)品無(wú)法保證批量生產(chǎn)時(shí)隨機(jī)抽檢一定能通過(guò)該測(cè)試。還需要進(jìn)一步查找輻射過(guò)高深層次原因，降低輻射發(fā)射。

圖6 整改后輻射發(fā)射曲線圖

再次檢查PCB布局布線，發(fā)現(xiàn)有四顆高頻時(shí)鐘晶振（50 MHz/100 MHz）布局在主板邊緣且時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)達(dá)50 mm在表層走線如圖7，這些表層時(shí)鐘走線作為天線將時(shí)鐘信號(hào)及其高次諧波輻射出去，這種PCB布局及時(shí)鐘走線對(duì)電磁兼容是非常不利的。結(jié)合表1中數(shù)據(jù)，Y6/Y7時(shí)鐘在表層走線長(zhǎng)度達(dá)50 mm左右，在超標(biāo)頻點(diǎn)處電磁波的波長(zhǎng)λ=光速/頻率=3*108/（7.5*108）=0.4 m。研究表明，當(dāng)天線長(zhǎng)度大于電磁波波長(zhǎng)的1/20時(shí)，即會(huì)有穩(wěn)定的輻射發(fā)射，當(dāng)天線長(zhǎng)度為λ/2或其整數(shù)倍時(shí)，天線輻射效率最高，輻射量最大。50 mm左右的表層時(shí)鐘走線，已經(jīng)達(dá)到超標(biāo)頻點(diǎn)電磁波波長(zhǎng)的λ/8，具有較強(qiáng)的輻射效率，使用頻譜儀加近場(chǎng)探頭進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該處的輻射發(fā)射較高。故斷定該處高頻時(shí)鐘信號(hào)表層走線是引起輻射發(fā)射過(guò)高的主要原因。

圖7 布置于PCB板邊緣的晶振及表層高頻時(shí)鐘線

Y6/Y7時(shí)鐘信號(hào)是主處理器時(shí)鐘信號(hào)，若切斷該處時(shí)鐘信號(hào)線則主板無(wú)法正常啟動(dòng)。故PCB板布局布線的缺陷在當(dāng)前版本沒(méi)有有效的整改手段，只有PCB改版才能徹底解決。

4 改版設(shè)計(jì)原則

根據(jù)上述分析及整改測(cè)試結(jié)果，為了徹底從源頭上解決輻射發(fā)射超標(biāo)問(wèn)題，公司決定對(duì)該主板原理圖及PCB板進(jìn)行改版。改版原理圖和PCB布局布線遵循以下準(zhǔn)則：

1）主板上所有晶振供電端采用磁珠+大小電容并聯(lián)的方式進(jìn)行濾波，磁珠選用高頻阻抗較大的型號(hào)，電容大小須與晶振頻率及其10次以內(nèi)諧波頻率匹配。

2）主板上所有時(shí)鐘信號(hào)線串聯(lián)33 Ω電阻，并且預(yù)留對(duì)地電容，組成RC濾波電路，晶振時(shí)鐘信號(hào)沿適當(dāng)變緩可減少EMI。

2）所有晶振元器件置于主板靠近中間區(qū)域，嚴(yán)禁放置在板卡邊緣（至少相隔30 mm距離）。

3）高速信號(hào)線（時(shí)鐘/數(shù)據(jù)/地址）優(yōu)先布線，所有時(shí)鐘信號(hào)線必須走PCB內(nèi)層，高頻時(shí)鐘信號(hào)線（≥50 MHz）過(guò)孔不得多于兩個(gè)。時(shí)鐘信號(hào)線回流路徑參考平面最好選取完整的地平面層，避免回流路徑不連續(xù)導(dǎo)致輻射擴(kuò)大。

4）主板所有IC的對(duì)地并聯(lián)濾波電容要增加（0.01~1 000）pf的高頻電容，加強(qiáng)整個(gè)主板的高頻濾波效果。

按照上述設(shè)計(jì)原則重新PCB改版后，再次進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，測(cè)試條件與之前一致，測(cè)試時(shí)通過(guò)網(wǎng)線連接屏蔽室外電腦進(jìn)行ping包，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 原理圖PCB改版后輻射發(fā)射曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

通信類產(chǎn)品的整機(jī)輻射發(fā)射超標(biāo)的干擾源頭大多在PCB板上，引起PCB板輻射過(guò)大的因素有很多，如PCB疊層設(shè)計(jì)、布局布線設(shè)計(jì)、去耦電路設(shè)計(jì)、元器件的選用等。在原理圖和PCB設(shè)計(jì)階段，遵循EMC設(shè)計(jì)規(guī)則，提前進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，可以起到事半功倍，一勞永逸的理想效果。避免后期出現(xiàn)問(wèn)題后頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳的被動(dòng)整改局面，可以極大的提高研發(fā)生產(chǎn)的效率。