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本文主要舉例分析某產(chǎn)品因?yàn)?a href="http://www.bowken.cn/search/q-PCB.html">PCB互聯(lián)排線導(dǎo)致的輻射發(fā)射超標(biāo)的現(xiàn)象、原因分析，解決措施，思考與啟示。

 

1、現(xiàn)象描述:

 

某工業(yè)產(chǎn)品是一個(gè)控制器, 由主機(jī)和擴(kuò)展模塊組成, 主機(jī)和擴(kuò)展模塊上都帶有I/O電纜, I/O電纜都屬于非屏蔽電纜。

 

下圖所示的是該產(chǎn)品EMC測(cè)試配置示意圖：

 

 

 

如下圖所示為該產(chǎn)品的輻射發(fā)射的輻射發(fā)射水平極化頻譜圖：

下圖為該產(chǎn)品輻射發(fā)射垂直極化頻譜圖：

 

 

由上面的頻譜圖可以看出, 該產(chǎn)品不能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EN55022 中規(guī)定的CLASS A輻射發(fā)射限值要求, 超標(biāo)頻點(diǎn)分別是177.56MHz和30MHz? 

 

測(cè)試中還發(fā)現(xiàn), 如果去掉擴(kuò)展模塊, 主機(jī)能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EN55022中規(guī)定的CLASS A輻射發(fā)射限值要求。

 

同時(shí), 對(duì)該產(chǎn)品擴(kuò)展模塊上的I/O電纜進(jìn)行IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的EFT/B測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)只要測(cè)試電壓超過(guò)±1kV, 該產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象?

 

2、原因分析：

 

根據(jù)上面的測(cè)試結(jié)果, 可以初步判斷此問(wèn)題大概率在擴(kuò)展模塊上, 或者擴(kuò)展模塊與主機(jī)的互連線上? 

 

分析擴(kuò)展模塊及擴(kuò)展模塊與主機(jī)的互連設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn), 主機(jī)中的PCB和擴(kuò)展中的PCB之間是通過(guò)一根普通的扁平電纜實(shí)現(xiàn)互連的。

 

扁平電纜中信號(hào)分別是: 地? 地? 信號(hào)? 信號(hào)? 信 號(hào)? 信號(hào)? 地? 信號(hào)? 地? 電源? 

 

互連電纜中信號(hào)的最高頻率約為3MHz, 而且該信號(hào)的上升沿小于1ns? 

 

下圖所示的是主機(jī)中的PCB和擴(kuò)展中的PCB互連部分的實(shí)物照片：

 

 

由此可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)很重要的EMC設(shè)計(jì)問(wèn)題, 即主機(jī)和擴(kuò)展模塊之間互連電纜采用上圖所示的扁平電纜?

 

 下圖所示的是輻射發(fā)射產(chǎn)生原理圖：

下圖所示的是EFT/B 抗擾度測(cè)試問(wèn)題原理圖：

從上圖中可以看到, 輻射發(fā)射問(wèn)題是由于PCB1中的工作地與PCB2 中的工作地互連線阻抗Zgnd 較大, 長(zhǎng)度約為10cm? 

 

長(zhǎng)度約為10cm的普通電纜, 其寄生電感約為150nH（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)） 。

 

假設(shè)導(dǎo)線直徑為0.65mm, 在 177MHz 的頻率下, 它的阻抗約為 100 Ω。

 

在30MHz的頻率下, 它的阻抗約為15 Ω), 在高頻時(shí), 該寄生電感是該連接線纜阻抗的主導(dǎo)因素? 

 

因此當(dāng)互連信號(hào)的回流流過(guò)此地信號(hào)電纜時(shí), 將產(chǎn)生ΔU= LdI/dt 的壓降, 這是一個(gè)典型的電流驅(qū)動(dòng)模式的共模輻射發(fā)射?

 

圖中可以明顯地看到, 由于該產(chǎn)品的接地點(diǎn)在主機(jī)的左側(cè), 則當(dāng)在擴(kuò)展的I/O電纜上注入EFT/B共模干擾時(shí), 共模電流必將通過(guò)主機(jī)和擴(kuò)展的部分最終流向地?

 

由于主機(jī)中PCB1上的工作地與擴(kuò)展中的PCB2互連線阻抗Zgnd 較大, 長(zhǎng)度約為10cm。

 

當(dāng)注入到擴(kuò)展 I/O 電纜上的共模干擾電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓降ΔU= LdI/dt 。

 

當(dāng)ΔU超過(guò)器件的噪聲承受能力時(shí), 就產(chǎn)生干擾? 

 

由公式ΔU= LdI/dt 可知, 即使是1A的EFT/B瞬態(tài)共模電流流過(guò), 其 ΔU= LdI/dt =150 nH×1 A/5 ns=30 V?

 

30V對(duì)于任何邏輯電路，都是致命的干擾。

 

3、處理措施：

 

由以上分析可以看出, 降低PCB1和PCB2之間的信號(hào)中的地阻抗Zgnd , 就可以解決此問(wèn)題?

 

實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中將此線互連改成PCB互連, 即將原來(lái)PCB1和PCB2之間的電纜線改用PCB互連, 并采用4層板, 以保證具有較完整的地平面。

 

此PCB各層的布置圖如下圖所示：

PCB Layout全局圖

 

頂層PCB布局圖

第二層PCB布局圖

 

第三層布局圖

第四層布局圖

 

采用以上所述的PCB 連接后, 在該產(chǎn)品同樣的配置條件下, 測(cè)得水平極化測(cè)試頻譜圖如下圖所示：

垂直極化測(cè)試頻譜圖如下圖所示：

信號(hào)電纜端口抗EFT/B瞬態(tài)干擾的能力也從原來(lái)的±1kV提高到 ±2kV，測(cè)試通過(guò)。

 

4、思考與啟示：

 

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中, 經(jīng)常會(huì)發(fā)生不同PCB之間互連的情況?

 

互連時(shí), 不但不同信號(hào)相互靠近, 引發(fā)串?dāng)_問(wèn)題。

 

更重要的而且也容易被廣大工程人員忽略的是, 連接器中的地互連信號(hào)路徑的阻抗要遠(yuǎn)比多層PCB中采用地平面設(shè)計(jì)時(shí)的地阻抗高得多。

 

 工程中, 可以 用10nH/cm 來(lái)估算連接器中每個(gè)信號(hào)針的寄生電感? 

 

這樣, 就像PCB中一樣, 當(dāng)有外界的共模干擾電流流過(guò)時(shí), 互連在連接器之間的電路就會(huì)受到干擾。

 

當(dāng)互連在連接器之間的電路信號(hào)的回流流過(guò)高阻抗的地互連信號(hào)路徑時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生共模的EMI問(wèn)題? 

 

關(guān)注產(chǎn)品中PCB之間的互連線, 它是產(chǎn)品中EMC問(wèn)題的瓶頸點(diǎn), 產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)時(shí)避免共模電流流過(guò)產(chǎn)品中PCB之間的互連線才是解決此問(wèn)題的最好辦法。