PCB板完整電磁信息的獲取及應(yīng)用

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調(diào)試PCB的傳統(tǒng)工具包括：時(shí)域的示波器、TDR(時(shí)域反射測(cè)量法)示波器、邏輯分析儀，以及頻域的頻譜分析儀等設(shè)備，但是這些手段都無(wú)法給出一個(gè)反映PCB板整體信息的數(shù)據(jù)。本文介紹用EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)獲得PCB完整電磁信息的方法，并介紹如何利用這些信息來(lái)幫助設(shè)計(jì)和調(diào)試。

EMSCAN具有頻譜掃描功能和空間掃描功能。頻譜掃描的結(jié)果可以讓我們對(duì)EUT產(chǎn)生的頻譜有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)：有多少個(gè)頻率分量，每個(gè)頻率分量的幅度大致是多少。空間掃描的結(jié)果，是針對(duì)一個(gè)頻率點(diǎn)的，是一張以顏色代表幅度的地形圖，我們能實(shí)時(shí)看清PCB產(chǎn)生的某個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)的電磁場(chǎng)分布情況。

全頻段掃描

在執(zhí)行頻譜／空間掃描功能時(shí)，把工作著的PCB放置到掃描器上，PCB被掃描器的柵格劃分為7.6mm×7.6mm的小格(每個(gè)小格含有一個(gè)H場(chǎng)探頭)，執(zhí)行對(duì)每個(gè)探頭的全頻段掃描(頻率范圍可以從10kHz－3GHz)后，Emscan最終給出兩張圖，分別為合成頻譜圖(圖1)和合成空間圖(圖2)。

頻譜/空間掃描獲得的是整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)每個(gè)探頭的全部頻譜數(shù)據(jù)。執(zhí)行一次頻譜/空間掃描后就可以得到所有空間位置的所有頻率的電磁輻射信息，你可以將圖1和圖2的頻譜/空間掃描數(shù)據(jù)想象為一堆空間掃描數(shù)據(jù)(每個(gè)空間掃描分別為不同的頻率，可由你來(lái)控制不同的顯示)，也可以想象為一堆頻譜掃描數(shù)據(jù)(每個(gè)頻譜掃描來(lái)自PCB的不同物理位置，可以是一個(gè)或幾個(gè)柵格)。你可以：
1. 像查看空間掃描結(jié)果一樣,查看指定頻率點(diǎn)(一個(gè)或多個(gè)頻率)的空間分布圖，如圖3所示。
2. 像查看頻譜掃描結(jié)果一樣,查看指定物理位置點(diǎn)(一個(gè)或多個(gè)柵格)的頻譜圖，如圖4所示。

圖3的各個(gè)空間分布圖，是通過(guò)指定頻率點(diǎn)來(lái)看該頻率點(diǎn)的空間腹部圖。通過(guò)在圖中最上面的頻譜圖中用×指定頻率點(diǎn)后得到的。可以指定一個(gè)頻率點(diǎn)查看每個(gè)頻率點(diǎn)的空間分布，也可以指定多個(gè)頻率點(diǎn)，例如指定83M的所有諧波點(diǎn)，查看總的頻譜圖。

圖4的頻譜圖中，灰色部分是總頻譜圖，藍(lán)色部分為指定位置的頻譜圖。是通過(guò)用×指定PCB上的物理位置，對(duì)比該位置產(chǎn)生的頻譜圖(藍(lán)色)和總頻譜圖(灰色)，找到干擾源的位置。從圖4可以看出，這種方法對(duì)寬帶干擾和窄帶干擾，都能很快地找到干擾源的位置。

快速定位電磁干擾源

利用頻譜分析儀和單個(gè)的近場(chǎng)探頭，也能定位“干擾源”。這里用“滅火”的方法來(lái)進(jìn)行一個(gè)比喻,可以把遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試(EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試)比喻為“檢測(cè)火災(zāi)”，如果有頻率點(diǎn)超出極限值，就認(rèn)為是“發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)”。傳統(tǒng)的“頻譜分析儀＋單探頭”方案，一般是由EMI工程師使用，來(lái)探測(cè)“火苗從機(jī)箱的哪個(gè)部位竄出來(lái)”，檢測(cè)到火苗后，一般的EMI抑制辦法是用屏蔽和濾波，把“火苗”捂在產(chǎn)品內(nèi)部。EMSCAN能讓我們檢測(cè)到干擾源的源頭--“火種”，還能看清“火勢(shì)”，即干擾源的傳播途徑。

用EMSCAN檢查整機(jī)EMI問(wèn)題時(shí)，一般采用由“火苗”到“火種”的追蹤過(guò)程。例如，先掃描機(jī)箱或者電纜，檢查干擾來(lái)自哪個(gè)部位，進(jìn)一步追蹤到產(chǎn)品內(nèi)部，是哪塊PCB產(chǎn)生的干擾，再進(jìn)一步可以追蹤到器件或者布線(xiàn)。

由圖4可以很明顯地看出，利用“完整電磁信息”，定位電磁干擾源是非常方便的，不僅能解決窄帶電磁干擾問(wèn)題，對(duì)寬帶電磁干擾問(wèn)題同樣有效。

一般的方法如下：

(1) 查看基波的空間分布，在基波的空間分布圖上找到幅度最大的物理位置。對(duì)于寬帶干擾，則在寬帶干擾的中間指定一個(gè)頻率(例如一個(gè)60MHz－80MHz的寬帶干擾，我們可以指定70MHz)，檢查該頻率點(diǎn)的空間分布，找到幅度最大的物理位置。

(2) 指定該位置，看該位置的頻譜圖。檢查該位置的各個(gè)諧波點(diǎn)的幅度是否與總頻譜圖重合。如果重合，則說(shuō)明指定位置是產(chǎn)生這些干擾的最強(qiáng)的地方。對(duì)于寬帶干擾，則檢查該位置是否為整個(gè)寬帶干擾的最大位置。

(3) 在很多情況下，不是所有諧波都產(chǎn)生在一個(gè)位置，有時(shí)偶次諧波與奇次諧波在不同的位置產(chǎn)生，也有可能各個(gè)諧波分量在各個(gè)不同的位置產(chǎn)生。這種情況下，可以通過(guò)查看你所關(guān)心的頻率點(diǎn)的空間分布，找到輻射最強(qiáng)的位置。

(4) 在輻射最強(qiáng)的地方采取手段，無(wú)疑對(duì)解決EMI/EMC問(wèn)題是最有效的。

這種真正能追蹤到“源頭”和傳播途徑的EMI排查方法，能讓工程師以最低的成本和最快的速度排除EMI問(wèn)題。在一個(gè)通信設(shè)備的實(shí)測(cè)案例中，輻射干擾從電話(huà)線(xiàn)電纜中輻射出來(lái)，對(duì)這根電纜增加屏蔽或者濾波手段顯然是不可行的，于是工程師束手無(wú)策。用EMSCAN進(jìn)行上述追蹤掃描后，最終在處理機(jī)板上，多化了幾塊錢(qián)，多裝了幾個(gè)濾波電容，解決了工程師原來(lái)無(wú)法解決的EMI問(wèn)題。

快速定位電路故障位置

隨著PCB復(fù)雜程度的增加，調(diào)試的難度和工作量也不斷增加。利用示波器或者邏輯分析儀，同時(shí)只能觀(guān)察到1個(gè)或者有限的幾個(gè)信號(hào)線(xiàn)的波形，而現(xiàn)在的PCB上可能有成千上萬(wàn)條信號(hào)線(xiàn)，工程師只能憑經(jīng)驗(yàn)或者運(yùn)氣來(lái)找到問(wèn)題的所在問(wèn)題。

如果我們有了正常板和故障板的“完整電磁信息”，通過(guò)對(duì)比兩者的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常的頻譜，再采用“干擾源定位技術(shù)”，把異常頻譜的產(chǎn)生位置找出來(lái)，就能很快找到故障的位置及原因。

圖5為正常板和故障板的頻譜圖，通過(guò)對(duì)比，很容易發(fā)現(xiàn)故障板上存在一個(gè)異常的寬帶干擾。

然后在故障板的空間分布圖上去找產(chǎn)生這個(gè)“異常頻譜”的位置，如圖6所示，這樣，故障位置就被定位到一個(gè)柵格(7.6mm×7.6mm)的位置，問(wèn)題就能很快確診。

評(píng)估PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量的應(yīng)用案例

一塊好的PCB需要工程師精心設(shè)計(jì)，需要考慮的問(wèn)題包括：

(1) 合理的層疊設(shè)計(jì)

特別是地平面和電源平面的安排，以及敏感信號(hào)線(xiàn)(時(shí)鐘信號(hào))及產(chǎn)生大量輻射的信號(hào)線(xiàn)(地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn))所在層的設(shè)計(jì)。還有地平面、電源平面的分割，以及跨越分割區(qū)域的信號(hào)線(xiàn)的布線(xiàn)。

(2) 保持盡可能連續(xù)的信號(hào)線(xiàn)阻抗

盡可能少的過(guò)孔；盡可能少的直角走線(xiàn)；以及盡可能小的電流回流面積，可以產(chǎn)生較少的諧波及較低的輻射強(qiáng)度。

(3) 良好的電源濾波

合理的濾波電容的類(lèi)型、容值、數(shù)量、及放置位置，以及合理的地平面和電源平面的層疊安排，能保證電磁干擾被控制在盡可能小的區(qū)域。

(4) 盡可能保證地平面的完整性

盡可能少的過(guò)孔；合理的過(guò)孔安全間距；合理的器件布局；合理的過(guò)孔安排，從而最大程度保證地平面的完整性。相反，密集的過(guò)孔以及過(guò)大的過(guò)孔安全間距，或者是不合理的器件布局，會(huì)嚴(yán)重影響地平面以及電源平面的完整性，從而產(chǎn)生大量的感性串?dāng)_、共模輻射，并會(huì)使電路對(duì)外界干擾更敏感。

(5) 在信號(hào)完整性和電磁兼容性中找折中

在保證設(shè)備功能正常(保證信號(hào)完整性)的前提下，盡可能增加信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間，減少信號(hào)產(chǎn)生的電磁輻射的幅度和諧波數(shù)量。例如需要選擇合適的阻尼電阻、合適的濾波手段等。

以前，我們沒(méi)有簡(jiǎn)單而科學(xué)的手段來(lái)評(píng)估PCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量及PCB設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平。利用PCB產(chǎn)生的完整的電磁場(chǎng)信息，能對(duì)PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。利用PCB的完整的電磁信息，可以從如下四個(gè)方面來(lái)評(píng)估PCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量：1. 頻率點(diǎn)數(shù)量：即諧波數(shù)量。2. 瞬態(tài)干擾：不穩(wěn)定的電磁干擾。3. 輻射強(qiáng)度：各個(gè)頻率點(diǎn)電磁干擾的幅度大小。4. 分布區(qū)域：各個(gè)頻率點(diǎn)的電磁干擾在PCB上的分布區(qū)域的大小。

下面的例子中，A板是B板的改進(jìn)。兩塊板的原理圖以及主要器件的布局完全一致。兩塊板的頻譜/空間掃描的結(jié)果見(jiàn)圖7：

從圖7的頻譜圖中，可以看出，A板的質(zhì)量明顯比B板好，因?yàn)椋?

1. A板的頻率點(diǎn)數(shù)量明顯比B板少；
2. A板的大部分頻率點(diǎn)的幅度比B板的小；
3. A板的瞬態(tài)干擾(沒(méi)有被標(biāo)記的頻率點(diǎn))比B板的少。

從空間圖中可以看出A板的總的電磁干擾分布區(qū)域比B板的小得多。再來(lái)看看某一個(gè)頻率點(diǎn)的電磁干擾分布情況。從圖8所示的462MHz這一個(gè)頻率點(diǎn)的電磁干擾分布情況來(lái)看，A板的幅度小，而且區(qū)域很小。B板的幅度大，而且分布區(qū)域特別廣。

大量的測(cè)試案例證明，這種利用PCB產(chǎn)生的完整電磁場(chǎng)信息來(lái)評(píng)估PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量的方法，是完全合理的。我們能從PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量看出設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也能為設(shè)計(jì)人員不斷提高設(shè)計(jì)水平，提供最直觀(guān)的指導(dǎo)。

本文小結(jié)

PCB完整電磁信息，能讓我們對(duì)PCB的整體有一個(gè)非常直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，不僅有助于工程師解決EMI/EMC問(wèn)題，還能幫助工程師調(diào)試PCB，并不斷提高PCB的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同樣，EMSCAN的應(yīng)用還有很多，例如幫助工程師解決電磁敏感性問(wèn)題等等。