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電磁場(chǎng)高速自動(dòng)掃描技術(shù)在高速PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文章出處:http://wdfi.cn網(wǎng)責(zé)任編輯:恒成和電路板作者:恒成和線路板人氣:-發(fā)表時(shí)間:2016-11-08 17:47:00

PCB

電磁兼容測(cè)試對(duì)即將進(jìn)入市場(chǎng)的電子產(chǎn)品是非常重要的一項(xiàng)測(cè)試,但以往的測(cè)試只能得出能否通過的結(jié)果,不能提供更多有用信息。本文介紹利用高速自動(dòng)掃描技術(shù)測(cè)量電磁輻射,檢測(cè)PCB板上電磁場(chǎng)的變化情況,使工程技術(shù)人員在進(jìn)行電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試前就能發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題并及時(shí)予以糾正。

 

隨著當(dāng)今電子產(chǎn)品主頻提高、布線密度增加以及大量BGA封裝器件和高速邏輯器件的使用,設(shè)計(jì)人員不得不通過增加PCB板的層數(shù)來減少信號(hào)與信號(hào)間的相互影響。同時(shí)在大量便攜式終端設(shè)備中,為了降低系統(tǒng)功耗必須采用多電平方案,而這些設(shè)備還有模擬或者RF電路,需要采用多種地,又必須使用電源平面和地平面分割的技術(shù)。因此PCB板上的信號(hào)之間存在大量輻射干擾,造成設(shè)備功能故障或者工作不穩(wěn)定,而且所有信號(hào)對(duì)外形成很強(qiáng)電磁輻射,使得EMC測(cè)試也成為產(chǎn)品上市的一個(gè)障礙。

 

目前大部分硬件工程師還只是憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PCB,在調(diào)試過程中,很多需要觀測(cè)的信號(hào)線或者芯片引腳被埋在PCB中間層,無法使用示波器等工具去探測(cè),如果產(chǎn)品不能通過功能測(cè)試,他們也沒有有效的手段去查找問題的原因。要想驗(yàn)證產(chǎn)品的EMC特性,只有把產(chǎn)品拿到標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容測(cè)量室去測(cè)量,由于這種測(cè)量只能測(cè)產(chǎn)品對(duì)外輻射情況,就算沒有通過也不能為解決問題提供有用的信息,因此工程師只能憑經(jīng)驗(yàn)去修改PCB,并重復(fù)試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方法非常昂貴,而且可能耽誤產(chǎn)品的上市時(shí)間。

 

當(dāng)然,現(xiàn)在有很多高速PCB分析和仿真設(shè)計(jì)工具,可以幫助工程師解決一些問題,可是目前在器件模型上還存在很多限制,例如能解決信號(hào)完整性(SI)仿真的IBIS模型就有很多器件沒有模型或者模型不準(zhǔn)確。要精確仿真EMC問題,就必須用SPICE模型,但目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型,而如果沒有SPICE模型,EMC仿真是無法把器件本身的輻射考慮在內(nèi)的(器件的輻射比傳輸線的輻射大得多)。另外,仿真工具往往要在精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行折中,精度相對(duì)較高的,需要的計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng),而仿真速度快的工具,其精度又很低。因此用這些工具進(jìn)行仿真,不能完全解決高速PCB設(shè)計(jì)中的相互干擾問題。圖1:Emscan電磁掃描系統(tǒng)的組成。

 

我們知道,在多層PCB中高頻信號(hào)的回流路徑應(yīng)該在該信號(hào)線層臨近的參考地平面(電源層或者地層)上,這樣的回流和阻抗最小,但是實(shí)際的地層或電源層中會(huì)有分割和鏤空,從而改變回流路徑,導(dǎo)致回流面積變大,引起電磁輻射和地彈噪聲。如果工程師能清楚電流路徑的話,就能避免大的回流路徑,從而有效控制電磁輻射。但信號(hào)回流路徑由信號(hào)線布線、PCB電源和地分布結(jié)構(gòu)以及電源供電點(diǎn)、去耦電容和器件放置位置和數(shù)量等多種因素所決定,故而對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的回流路徑從理論上進(jìn)行判定非常困難。

 

所以在設(shè)計(jì)階段排除輻射噪聲問題非常關(guān)鍵。我們用示波器能看到信號(hào)的波形,從而可幫助解決信號(hào)完整性問題,那么有沒有設(shè)備能看到輻射的“圖形”以及電路板上的回流呢?

 

電磁場(chǎng)高速掃描測(cè)量技術(shù)

 

在各種電磁輻射測(cè)量方法中,有一種近場(chǎng)掃描測(cè)量方法能解決這個(gè)問題,該方法基于這樣的原理設(shè)計(jì),即電磁輻射是被測(cè)設(shè)備(DUT)上的高頻電流回路形成的。如加拿大EMSCAN公司的電磁輻射掃描系統(tǒng)Emscan就是根據(jù)這個(gè)原理制成的,它采用H場(chǎng)陣列探頭(有32×40=1280個(gè)探頭)來探測(cè)DUT上的電流,在測(cè)量期間,DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測(cè)由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場(chǎng)的變化,系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺圖像(圖1)。

 

Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)已經(jīng)在通信、汽車、辦公電器以及消費(fèi)電子等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,通過該系統(tǒng)提供的電流密度圖,工程師在進(jìn)行電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試前就能發(fā)現(xiàn)有EMI問題的區(qū)域并采取相應(yīng)措施。

 

近場(chǎng)掃描原理Emscan的測(cè)量主要在活性近場(chǎng)區(qū)域(r<<λ/2π)進(jìn)行,DUT上發(fā)出的輻射信號(hào)大部分被耦合到磁場(chǎng)探頭上,少量能量擴(kuò)散到自由空間。磁場(chǎng)探頭耦合了近H場(chǎng)的磁通線以及PCB上的電流,另外它也獲取一些近E場(chǎng)的微量成分。

 

大電流低電壓電流源主要與磁場(chǎng)相關(guān),而高電壓小電流電壓源則主要與電場(chǎng)相關(guān),在PCB上,純電場(chǎng)或者純磁場(chǎng)都是很少見的。RF和微波電路中,電路的輸入阻抗以及連接用的微帶或者微帶線,其阻抗都被設(shè)計(jì)為50歐姆,這種低阻抗設(shè)計(jì)使得這些元器件產(chǎn)生大電流和低電壓變化,此外數(shù)字電路的趨勢(shì)也是使用更低電壓差的邏輯器件,同時(shí)活性近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)波阻抗遠(yuǎn)小于電場(chǎng)波阻抗。綜合這些因素,大部分PCB活性近場(chǎng)區(qū)域能量都包含在近磁場(chǎng)中,因此Emscan掃描系統(tǒng)采用的磁場(chǎng)環(huán)適合于這些PCB的近場(chǎng)診斷。

 

所有的環(huán)是一樣的,然而它們?cè)诜答伨W(wǎng)絡(luò)中的位置不同,因此反饋網(wǎng)絡(luò)可感應(yīng)各個(gè)環(huán)的響應(yīng),每個(gè)環(huán)相對(duì)參考源的響應(yīng)都被測(cè)量出來并考慮為濾波轉(zhuǎn)移函數(shù)。為了保證測(cè)量的線性度,Emscan測(cè)量的是這個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)的倒數(shù)。

 

由于采用了陣列天線和電子自動(dòng)切換天線技術(shù),因此測(cè)量速度大大加快,比手工單探頭測(cè)量方案快幾千倍,也比自動(dòng)單探頭測(cè)量方案快幾百倍,能夠快速有效判斷電路修改前后的效果(圖2)。快速掃描技術(shù)及其先進(jìn)幅度保持掃描技術(shù)和同步掃描技術(shù)使該系統(tǒng)能有效捕捉瞬態(tài)事件,同時(shí)它采用能提升頻譜分析儀測(cè)量精度的技術(shù),提高了測(cè)量的精確性和可重復(fù)性。

 

評(píng)估PCB近場(chǎng)輻射干擾的測(cè)量方法圖2:Emscan的測(cè)量結(jié)果顯示。

 

PCB輻射干擾情況的檢查可分幾步進(jìn)行。首先確定需要掃描的區(qū)域,然后選擇能充分采樣掃描區(qū)域的探頭(柵格7.5mm),在100kHz~3GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻譜掃描,并存儲(chǔ)每個(gè)頻率點(diǎn)的最大電平。注意,比較大的頻率點(diǎn)可利用空間掃描在掃描區(qū)域內(nèi)作進(jìn)一步檢查,這樣可以定位干擾源以及關(guān)鍵電路路徑。

 

被測(cè)板必須盡可能靠近掃描器板,因?yàn)殡S著距離增加,接收信噪比會(huì)降低,而且還會(huì)有“分離”效應(yīng)。實(shí)際測(cè)量中,這個(gè)距離應(yīng)該小于1.5cm。我們可以看到,對(duì)元件面的測(cè)量有時(shí)候可能會(huì)因?yàn)樵骷母叨榷箿y(cè)量出現(xiàn)問題,因此元器件的高度必須要考慮,以對(duì)測(cè)量的電壓電平進(jìn)行校正。在基本檢查中,需考慮分離距離校正因子。

 

我們可以很快得到測(cè)量結(jié)果,但是這些結(jié)果不能評(píng)判產(chǎn)品是否符合EMC特性,因?yàn)樗鼫y(cè)量的值是PCB板上的高頻電流產(chǎn)生的電磁近場(chǎng)。而標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試是要求在開闊場(chǎng)地(OATS)或者在暗室進(jìn)行的,距離為3米(即遠(yuǎn)場(chǎng))。

 

盡管Emscan的測(cè)量不能取代標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試,但是實(shí)踐證明,它確實(shí)有很多用途。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析,可以得出很多結(jié)論以利于產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)。除了得到電壓電平外,下列信息也非常重要:干擾產(chǎn)生點(diǎn)、干擾分布、覆蓋大區(qū)域的干擾傳導(dǎo)路徑、干擾被限制在PCB上的狹窄區(qū)域以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)或臨近I/O模塊間的耦合等,還可以看到數(shù)字電路和模擬電路分開的效果。

 

上述測(cè)量可作為PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)估的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步來說,如果我們已經(jīng)知道了一個(gè)類似的PCB的EMC特性,我們完全可以在產(chǎn)品開發(fā)早期對(duì)EMC特性進(jìn)行比較可靠的評(píng)估,例如是否應(yīng)該采用屏蔽手段等。

 

特別值得一提的是,電磁場(chǎng)高速掃描系統(tǒng)還能揭示瞬態(tài)EMI問題,瞬態(tài)EMI問題在電磁兼容性測(cè)量中往往不會(huì)被檢測(cè)到,但是它們會(huì)影響產(chǎn)品的性能和可靠性。

 

PCB抗干擾性能的評(píng)估

 

在實(shí)際使用中,所有電子設(shè)備都會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾,如果一個(gè)設(shè)備不能滿足抗干擾要求,也不進(jìn)行屏蔽,那么該設(shè)備的性能就會(huì)受電磁干擾的影響。事實(shí)表明,干擾信號(hào)的頻率可能會(huì)有幾百M(fèi)Hz,這些干擾主要通過連接的導(dǎo)體進(jìn)行耦合,因此I/O模塊的抗干擾設(shè)計(jì)非常重要。為了增強(qiáng)產(chǎn)品的抗干擾性能,有時(shí)不得不增加濾波等手段,這意味著會(huì)增加產(chǎn)品的成本。從這種角度上看,尋找一種能優(yōu)化所有電路和元器件的解決方案非常重要。

 

通過適當(dāng)修改上面提到的測(cè)量方法,在產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試階段就能夠正確評(píng)估產(chǎn)品的抗干擾性能。改進(jìn)后的方法如下:把PCB放在掃描器板上進(jìn)行頻譜掃描以決定PCB的干擾頻率,然后把該頻率正弦波干擾信號(hào)用夾子或者適當(dāng)耦合設(shè)備(如平衡線上用的T-LISN)耦合到I/O線或?qū)w上,采用步距10MHz、頻率范圍能滿足10MHz到150MHz(避免與PCB板的干擾頻率重疊)、功率-20到0dBm(取決于耦合器件和PCB的類型)的發(fā)生器,執(zhí)行與所加干擾信號(hào)一致的頻率進(jìn)行空間掃描。干擾信號(hào)從耦合點(diǎn)到PCB內(nèi)的分布情況就能非常清楚地在空間掃描圖形上看出來,然后可以根據(jù)下面一些原則對(duì)空間掃描結(jié)果進(jìn)行解釋,包括PCB上哪些區(qū)域分布有耦合上去的干擾信號(hào)、插入濾波器的有效性(衰減干擾信號(hào))、臨近I/O導(dǎo)體耦合情況以及PCB接地層或者區(qū)域的有效性等。

 

經(jīng)濟(jì)效益

 

電磁場(chǎng)高速掃描技術(shù)在PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試中的應(yīng)用,能幫助及早發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)采取有效措施消除或抑制系統(tǒng)內(nèi)部和對(duì)外電磁干擾,確保產(chǎn)品EMC測(cè)試一次通過,從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程,提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用,減少產(chǎn)品的售后服務(wù)工作量。

 

平均而言,一個(gè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要2至4次去EMC場(chǎng)地測(cè)試,每次去EMC場(chǎng)地測(cè)試都需要等3~4周時(shí)間。如果產(chǎn)品沒有通過測(cè)試,整個(gè)過程將非常長(zhǎng),而且還不得不重復(fù)進(jìn)行,直到通過測(cè)試。電磁干擾掃描技術(shù)能讓工程師在“設(shè)計(jì)過程中”考慮產(chǎn)品電磁兼容性,從而縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和減少去EMC場(chǎng)地測(cè)試的次數(shù)。典型情況下可以把產(chǎn)品的上市時(shí)間提前3至12周或者更多。

 

另外替代元件的確定對(duì)于確保持續(xù)生產(chǎn)和成本控制也是非常重要的,很多情況下,替代元件與首選元件的電磁輻射特性不一致,電磁掃描技術(shù)提供了一種快速有效評(píng)估替代元件可用性的手段,能保證在不影響產(chǎn)品電磁完整性的前提下降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

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