嘉峪检测网 2024-09-18 18:48
导读：本文主要举例分析某产品因为PCB互联排线导致的辐射发射超标的现象、原因分析，解决措施，思考与启示。
本文主要举例分析某产品因为PCB互联排线导致的辐射发射超标的现象、原因分析，解决措施，思考与启示。
1、现象描述:
某工业产品是一个控制器, 由主机和扩展模块组成, 主机和扩展模块上都带有I/O电缆, I/O电缆都属于非屏蔽电缆。
下图所示的是该产品EMC测试配置示意图：
如下图所示为该产品的辐射发射的辐射发射水平极化频谱图：
下图为该产品辐射发射垂直极化频谱图：
由上面的频谱图可以看出, 该产品不能通过标准EN55022 中规定的CLASS A辐射发射限值要求, 超标频点分别是177.56MHz和30MHz｡
测试中还发现, 如果去掉扩展模块, 主机能够通过标准EN55022中规定的CLASS A辐射发射限值要求。
同时, 对该产品扩展模块上的I/O电缆进行IEC61000-4-4标准规定的EFT/B测试时,发现只要测试电压超过±1kV, 该产品就会出现误动作现象｡
2、原因分析：
根据上面的测试结果, 可以初步判断此问题大概率在扩展模块上, 或者扩展模块与主机的互连线上｡
分析扩展模块及扩展模块与主机的互连设计发现, 主机中的PCB和扩展中的PCB之间是通过一根普通的扁平电缆实现互连的。
扁平电缆中信号分别是: 地､ 地､ 信号､ 信号､ 信 号､ 信号､ 地､ 信号､ 地､ 电源｡
互连电缆中信号的最高频率约为3MHz, 而且该信号的上升沿小于1ns｡
下图所示的是主机中的PCB和扩展中的PCB互连部分的实物照片：
由此可以发现一个很重要的EMC设计问题, 即主机和扩展模块之间互连电缆采用上图所示的扁平电缆｡
下图所示的是辐射发射产生原理图：
下图所示的是EFT/B 抗扰度测试问题原理图：
从上图中可以看到, 辐射发射问题是由于PCB1中的工作地与PCB2 中的工作地互连线阻抗Zgnd 较大, 长度约为10cm｡
长度约为10cm的普通电缆, 其寄生电感约为150nH（经验数据） 。
假设导线直径为0.65mm, 在 177MHz 的频率下, 它的阻抗约为 100 Ω。
在30MHz的频率下, 它的阻抗约为15 Ω), 在高频时, 该寄生电感是该连接线缆阻抗的主导因素｡
因此当互连信号的回流流过此地信号电缆时, 将产生ΔU= LdI/dt 的压降, 这是一个典型的电流驱动模式的共模辐射发射｡
图中可以明显地看到, 由于该产品的接地点在主机的左侧, 则当在扩展的I/O电缆上注入EFT/B共模干扰时, 共模电流必将通过主机和扩展的部分最终流向地｡
由于主机中PCB1上的工作地与扩展中的PCB2互连线阻抗Zgnd 较大, 长度约为10cm。
当注入到扩展 I/O 电缆上的共模干扰电流流过时产生压降ΔU= LdI/dt 。
当ΔU超过器件的噪声承受能力时, 就产生干扰｡
由公式ΔU= LdI/dt 可知, 即使是1A的EFT/B瞬态共模电流流过, 其 ΔU= LdI/dt =150 nH×1 A/5 ns=30 V｡
30V对于任何逻辑电路，都是致命的干扰。
3、处理措施：
由以上分析可以看出, 降低PCB1和PCB2之间的信号中的地阻抗Zgnd , 就可以解决此问题｡
实际产品应用中将此线互连改成PCB互连, 即将原来PCB1和PCB2之间的电缆线改用PCB互连, 并采用4层板, 以保证具有较完整的地平面。
此PCB各层的布置图如下图所示：
PCB Layout全局图
顶层PCB布局图
第二层PCB布局图
第三层布局图
第四层布局图
采用以上所述的PCB 连接后, 在该产品同样的配置条件下, 测得水平极化测试频谱图如下图所示：
垂直极化测试频谱图如下图所示：
信号电缆端口抗EFT/B瞬态干扰的能力也从原来的±1kV提高到 ±2kV，测试通过。
4、思考与启示：
在产品设计中, 经常会发生不同PCB之间互连的情况｡
互连时, 不但不同信号相互靠近, 引发串扰问题。
更重要的而且也容易被广大工程人员忽略的是, 连接器中的地互连信号路径的阻抗要远比多层PCB中采用地平面设计时的地阻抗高得多。
工程中, 可以 用10nH/cm 来估算连接器中每个信号针的寄生电感｡
这样, 就像PCB中一样, 当有外界的共模干扰电流流过时, 互连在连接器之间的电路就会受到干扰。
当互连在连接器之间的电路信号的回流流过高阻抗的地互连信号路径时, 就会产生共模的EMI问题｡
关注产品中PCB之间的互连线, 它是产品中EMC问题的瓶颈点, 产品构架设计时避免共模电流流过产品中PCB之间的互连线才是解决此问题的最好办法。
来源：电子工程师之家
