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一、問題現(xiàn)象描述

某應(yīng)用于汽車電子的中控顯示屏模組，在進(jìn)行30MHz-2.68GHz頻段輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)156MHz頻點(diǎn)超標(biāo)，具體表現(xiàn)為尖峰狀干擾，測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示：

圖1：輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)（原始測(cè)試數(shù)據(jù)）

電子工程師花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行分析調(diào)試，仍然無法找到問題的解決方案，需要EMC工程師介入分析整改，具體產(chǎn)品形態(tài)如下：

圖2：產(chǎn)品形態(tài)圖

二、干擾源分析定位

使用頻譜分析儀，按照如下頻譜分析儀使用方法進(jìn)行干擾源的定位，通過分析定位后鎖定干擾源來自系統(tǒng)EMMC電路部分，使用頻譜分析儀的尖形探針進(jìn)一步尋找，確定噪聲源頭為EMMC的時(shí)鐘信號(hào)。

圖3：頻譜分析儀定位干擾源的方法與流程

頻譜分析儀的探頭使用方法，參考下圖所示：

圖4：頻譜分析儀探頭使用方法圖

使用頻譜分析儀對(duì)EMMC芯片外圍電路進(jìn)行干擾源定位，分別量測(cè)EMMC芯片供電電源引腳、其它信號(hào)引腳，其噪聲頻點(diǎn)都非常微弱，只有EMMC時(shí)鐘信號(hào)引腳的噪聲非常強(qiáng)，排除噪聲通過其它引腳耦合的可能性，確定噪聲源來自EMMC芯片的時(shí)鐘信號(hào)引腳，耦合路徑是時(shí)鐘信號(hào)引腳本身。

圖5：EMMC芯片供電電源引腳頻譜圖

圖5：EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)頻譜圖

三、問題原因分析

使用示波器對(duì)EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行量測(cè)，確認(rèn)是否為時(shí)鐘信號(hào)過沖、振蕩、波形失真等原因引起的。

圖6：EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)引腳波形

EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)實(shí)測(cè)波形，沒有明顯的振蕩、過沖、失真等，且時(shí)鐘信號(hào)的邊沿相對(duì)較緩，從波形上分析，沒有明顯的設(shè)計(jì)問題。調(diào)出PCB Layout設(shè)計(jì)，分析是否為PCB Layout設(shè)計(jì)問題。

圖6：EMMC芯片PCB Layout設(shè)計(jì)（Bottom層元件面）

圖7：EMMC芯片PCB Layout設(shè)計(jì)（Bottom層的參考層）

由PCB Layout可知EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)布線不存在換層設(shè)計(jì)的情況，且相鄰參考層為完整的地平面層，參考不存在跨分割、參考不完整的情況，根據(jù)信號(hào)參考設(shè)計(jì)的規(guī)則來看，PCB Layout設(shè)計(jì)不存在明顯的缺陷。

根據(jù)PCB Layout設(shè)計(jì)，懷疑噪聲是通過表層的PCB布線直接向外部輻射發(fā)射，造成輻射發(fā)射測(cè)試超標(biāo)，嘗試將表層時(shí)鐘信號(hào)增加屏蔽，使用銅箔對(duì)表層EMMC時(shí)鐘信號(hào)布線進(jìn)行屏蔽，重新進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，結(jié)果更加惡化。

圖8：EMMC芯片表層時(shí)鐘信號(hào)使用銅箔屏蔽

圖9：EMMC芯片表層時(shí)鐘信號(hào)使用銅箔屏蔽前后數(shù)據(jù)對(duì)比

EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)布線層增加銅箔屏蔽對(duì)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果沒有改善，反而惡化了輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)，具體原因則需要分析信號(hào)是如何回流的。

根據(jù)信號(hào)回流路徑設(shè)計(jì)理論可知，信號(hào)的回流存在幾種情況：一是信號(hào)布線不換層、回流路徑也不換層，這是最優(yōu)的方案；二是信號(hào)布線換層，回流路徑不換層，是次選方案；三是信號(hào)布線換層，回流路徑也換層，信號(hào)換層過孔兩側(cè)增加信號(hào)回流路徑的伴隨過孔。目前選擇的就是最優(yōu)的PCB布線方案。

四、問題產(chǎn)生的根因分析

圖10：EMMC芯片時(shí)鐘信號(hào)回流路徑分析

多層板設(shè)計(jì)，原則上信號(hào)的回流路徑會(huì)選擇相鄰層完整的參考平面進(jìn)行回流，而實(shí)際上多層板時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)存在包地線時(shí)，由于邊緣場(chǎng)效應(yīng)，信號(hào)部分返回電流會(huì)沿著兩側(cè)的包地線返回（回流電流的分量大小取決于信號(hào)與鄰層和伴隨地線的距離），高頻返回噪聲電流在相鄰層參考地平面與兩側(cè)伴隨地線返回時(shí)，由于包地線與參考地平面之間布線寄生電感的差異，則會(huì)使兩側(cè)包地線與鄰層參考地平面之間產(chǎn)生的電位差，電位差的大小取決于兩側(cè)伴隨地線與參考地平面的寄生電感大小的差異。

圖11：邊沿場(chǎng)的概念

邊沿場(chǎng)的定義：

當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，信號(hào)路徑與返回路徑之間將產(chǎn)生電力線，圍繞在信號(hào)路徑和返回路徑導(dǎo)體周圍也有磁力線。這些場(chǎng)并未封閉在信號(hào)路徑與返回路徑之間的空間內(nèi)，而會(huì)延伸到周圍的空間，這些延伸出去在場(chǎng)稱為邊緣場(chǎng)。

五、問題解決方案

根據(jù)問題根因分析可知，要解決EMMC時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)包地線與鄰層參考地平面因高頻噪聲電流流過時(shí)產(chǎn)生的電位差，可以通過兩種方式解決：

解決方案（一）：

圖12：時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)包地線增加密集過孔

EMMC芯片表層時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)伴隨線通過密集過孔連接到鄰層參考地平面，使高頻電流流過鄰層參考地平面與流過兩側(cè)伴隨地線時(shí)，兩者產(chǎn)生的電位差可以達(dá)到忽略的程度。

解決方案（二）：

圖13：時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)不包地

刪除表層時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)伴隨線，并使時(shí)鐘信號(hào)與旁邊其它信號(hào)之間至少保持3W設(shè)計(jì)原則，降低與旁邊的串?dāng)_；使表面時(shí)鐘信號(hào)參考相鄰層完整的參考地平面。

六、案例總結(jié)與思考

對(duì)于多層板，其信號(hào)參考設(shè)計(jì)建議選擇鄰層做參考平面，為信號(hào)回流提供路徑，信號(hào)兩側(cè)不再增加包地線，信號(hào)布線與兩側(cè)其它信號(hào)布線保持3W原則；如果信號(hào)兩側(cè)一定要增加包地線則需要通過密集的過孔與相鄰層參考平面相連，使兩側(cè)的包地線與參考地平面之間保持最小電位差。

兩層板或者單面板，信號(hào)布線選擇兩側(cè)包地線作為回流路徑，也要注意包地線與系統(tǒng)之間的電位差問題，否則可能引發(fā)嚴(yán)重的EMC問題。

圖14：信號(hào)參考設(shè)計(jì)的原則