【故障案例】某單板TVS接地不當(dāng)造成輻射騷擾超標(biāo)問題分析

【摘要】

某產(chǎn)品EMC輻射騷擾測(cè)試超標(biāo)，通過近遠(yuǎn)場(chǎng)掃描配合定位分析，逐步找出騷擾源、傳播路徑，最終通過修改 PCB 走線切斷傳播路徑解決此問題。

1故障現(xiàn)象

某產(chǎn)品在進(jìn)行 EMC 研發(fā)摸底測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，整機(jī)輻射騷擾垂直方向測(cè)試超標(biāo)，超標(biāo)點(diǎn)頻率為 150M Hz，同時(shí)伴有 20M Hz 間隔的脈沖騷擾。在實(shí)驗(yàn)室輻射騷擾的遠(yuǎn)場(chǎng)掃描圖（垂直方向）如下圖 1 所示：

圖1某產(chǎn)品輻射騷擾遠(yuǎn)場(chǎng)掃描圖（垂直）

2故障分析

首先通過將系統(tǒng)單板逐一下電后掃描的排除法將 150MHz 頻點(diǎn)騷擾源定位在系統(tǒng)某單板上，該單板（后文簡(jiǎn)稱 A 單板）在系統(tǒng)中完成的功能為時(shí)鐘及通信控制。A 單板對(duì)外接口主要有以太網(wǎng)接口、光口和 HDMI 接口，其中 HDMI 接口為調(diào)試與時(shí)鐘級(jí)聯(lián)接口，輻射騷擾測(cè)試時(shí)不外接線纜。以太網(wǎng)接口測(cè)試時(shí)使用屏蔽網(wǎng)線通過電波暗室隔離底盤和輔助設(shè)備相連。拔掉A 單板網(wǎng)線重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過。但是從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，150M Hz 的騷擾頻點(diǎn)仍然存在，只是幅值降低了 6.8dB。通過頻譜分析儀搭配近場(chǎng)探頭對(duì)單板進(jìn)行近場(chǎng)掃描，發(fā)現(xiàn)單板面板處靠近 HDMI 口和以太網(wǎng)口附近 150MHz 的騷擾較強(qiáng),同時(shí)單板保護(hù)地和屏蔽網(wǎng)線上也有較大的騷擾。將頻譜儀掃描頻段設(shè)為從 1MHz 到 200MHz 展開，發(fā)現(xiàn)騷擾從 10MHz 開始出現(xiàn)，并且是 10MHz 的奇次諧波（10、30、50...130、150、170）。這些頻點(diǎn)和圖 1 遠(yuǎn)場(chǎng)掃描100M Hz~200M Hz之間的騷擾頻點(diǎn)完全吻合。近場(chǎng)掃描圖如下圖 2 所示：

圖 2 該單板網(wǎng)口附近近場(chǎng)掃描圖

分析該單板的時(shí)鐘拓?fù)洌瑔伟迳想姾螅?a target="_blank">FPGA 邏輯控制 10MHz 基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出到 HDMI 接口做為調(diào)試和級(jí)聯(lián)輸出（如下圖 3）。從近場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)分析，騷擾源極有可能是單板上的這個(gè) 10M 時(shí)鐘輸出。為了進(jìn)一步確認(rèn)騷擾是由該時(shí)鐘引起，我們通過修改單板邏輯將輸出到HDMI 口的 10M 時(shí)鐘關(guān)閉，近場(chǎng)掃描 150MHz 騷擾完全消失。問題定位到此騷擾源得到具體確認(rèn)。

圖 3A 單板時(shí)鐘拓?fù)鋱D（部分）

10M 時(shí)鐘騷擾如何通過網(wǎng)線輻射出來？查看單板原理圖，為了對(duì) HDMI 接口信號(hào)進(jìn)行靜電防護(hù)，10M_TEST 時(shí)鐘信號(hào)輸出到外部時(shí)增加了一個(gè)對(duì)保護(hù)地的 TVS（如下圖 4 所示）。該 TVS 參數(shù)為截止電壓 VRWM=15.0V, 擊穿電壓 VBR=16.7V, 結(jié)電容 C0=80pF。

圖4A單板HDMI 10M_TEST 時(shí)鐘電路

分析 A 單板 PCB（如下圖 5），Test_10M 時(shí)鐘從 FPGA 出來后通過內(nèi)層走線引到 HDMI接口，途中經(jīng)過 TVS 進(jìn)行靜電防護(hù)，該 TVS 接單板保護(hù)地。單板保護(hù)地和數(shù)字地隔離，保護(hù)地靠近單板板邊及接口，為一狹長(zhǎng)區(qū)域。數(shù)字地為一完整地平面，F(xiàn)PGA 參考地采用數(shù)字地。

圖5 A單板10M 時(shí)鐘騷擾傳播路徑

根據(jù)傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)諧波的正弦波分量。根據(jù)傅里葉公式 f(t)= A0/2+ A1cos(ω1t+ψ1)+ A2cos(2ω2t+ψ2)+ A3cos(3ω3t+ψ3)+…+ Ancos(ωnt+ψn)+…展開，10M Hz 時(shí)鐘基頻會(huì)產(chǎn)生不同分量的高次諧波。從近場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)來看，情況也是如此。 同時(shí)我們知道，電容在其諧振頻率點(diǎn)具有阻抗最小的特性（如下圖 6 所示）。如果 10M 時(shí)鐘的產(chǎn)生的高頻諧波分量頻率位于 TVS 結(jié)電容的諧振頻率點(diǎn)附近，則諧波騷擾電流將通過 TVS 結(jié)電容，則會(huì)形成上圖 5 所示的 FPGA-TEST_10M-TVS-GNDP-FPGA 的回流路徑。當(dāng)單板插入屏蔽網(wǎng)線后測(cè)試，有一部分共模騷擾電流將流過網(wǎng)線屏蔽層，形成天線效應(yīng)造成輻射騷擾測(cè)試超標(biāo)。為了驗(yàn)證此想法，將 TEST_10M 時(shí)鐘對(duì)保護(hù)地的 TVS 去除，插上網(wǎng)線后在暗室遠(yuǎn)場(chǎng)掃描，測(cè)試結(jié)果通過，150M 頻點(diǎn)完全消失。

圖 6 理想電容的頻率特性

3故障解決

EMC 的三要素為騷擾源、傳播路徑和敏感受體。騷擾源和傳播路徑得到確認(rèn)后，整改的措施就變得簡(jiǎn)單起來。我們從傳播路徑入手，將 TEST_10M 時(shí)鐘的 TVS 由保護(hù)地接到數(shù)字地，通過這樣改變了騷擾電流的回流路徑：FPGA-TEST_10M-GNDD-FPGA。騷擾電流不能再通過保護(hù)地流入到外接屏蔽線纜。經(jīng)過上面整改措施后，整機(jī)的輻射騷擾結(jié)果得到了非常有效的改善，PCB 改動(dòng)后的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如下圖 7 所示（僅列出之前不通過的垂直方向，水平方向經(jīng)測(cè)試一直可以通過）。同時(shí)對(duì)改動(dòng)后的單板進(jìn)行了接口靜電放電和浪涌試驗(yàn)，達(dá)到的指標(biāo)和未改動(dòng)前一致，保證 PCB 改動(dòng)對(duì) EMC 抗擾設(shè)計(jì)沒有影響。

圖7整改后的系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)掃描圖（垂直）

4 總結(jié)

上面的案例分析和解決過程，總結(jié)出了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）PCB 設(shè)計(jì)時(shí)注意地平面的完整性，同時(shí)盡量避免設(shè)計(jì)成狹長(zhǎng)形狀；

（2）TVS 結(jié)電容對(duì)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的高頻諧波電流可能形成通路，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意它的接地 ；

審核編輯：湯梓紅