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

　　 杭州PCB公司-緯亞電子：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(guò)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(wèn)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(guò)增加PCB板的層數(shù)來(lái)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(lái)設(shè)計(jì)PCB，在調(diào)試過(guò)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(wú)法使用示波器等工具去探測(cè)，如果產(chǎn)品不能通過(guò)功能測(cè)試，他們也沒(méi)有有效的手段去查找問(wèn)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(méi)有通過(guò)也不能為解決問(wèn)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(wèn)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(méi)有模型或者模型不準(zhǔn)確。要精確仿真EMC問(wèn)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(méi)有SPICE模型，EMC仿真是無(wú)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(wèn)題。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="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(wèn)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(wèn)題，那么有沒(méi)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(wèn)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(lái)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(jué)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(guò)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(wèn)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(lái)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)。 杭州PCB|杭州smt

　　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)?？焖賿呙杓夹g(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VSPACE=12 HSPACE=12

ALT="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(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(wèn)題，瞬態(tài)EMI問(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)，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(wèn)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(guò)，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(méi)有通過(guò)測(cè)試，整個(gè)過(guò)程將非常長(zhǎng)，而且還不得不重復(fù)進(jìn)行，直到通過(guò)測(cè)試。電磁干擾掃描技術(shù)能讓工程師在“設(shè)計(jì)過(guò)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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