電磁場高速自動掃描技術(shù)在高速PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　電磁兼容測試對即將進(jìn)入市場的電子產(chǎn)品是非常重要的一項(xiàng)測試，但以往的測試只能得出能否通過的結(jié)果，不能提供更多有用信息。本文介紹利用高速自動掃描技術(shù)測量電磁輻射，檢測PCB板上電磁場的變化情況，使工程技術(shù)人員在進(jìn)行電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)測試前就能發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題并及時(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)人員不得不通過增加PCB板的層數(shù)來減少信號與信號間的相互影響。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，而且所有信號對外形成很強(qiáng)電磁輻射，使得EMC測試也成為產(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)來設(shè)計(jì)PCB，在調(diào)試過程中，很多需要觀測的信號線或者芯片引腳被埋在PCB中間層，無法使用示波器等工具去探測，如果產(chǎn)品不能通過功能測試，他們也沒有有效的手段去查找問題的原因。要想驗(yàn)證產(chǎn)品的EMC特性，只有把產(chǎn)品拿到標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容測量室去測量，由于這種測量只能測產(chǎn)品對外輻射情況，就算沒有通過也不能為解決問題提供有用的信息，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，例如能解決信號完整性(SI)仿真的IBIS模型就有很多器件沒有模型或者模型不準(zhǔn)確。要精確仿真EMC問題，就必須用SPICE模型，但目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型，而如果沒有SPICE模型，EMC仿真是無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，精度相對較高的，需要的計(jì)算時(shí)間很長，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)中的相互干擾問題。

　　我們知道，在多層PCB中高頻信號的回流路徑應(yīng)該在該信號線層臨近的參考地平面(電源層或者地層)上，這樣的回流和阻抗最小，但是實(shí)際的地層或電源層中會有分割和鏤空，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。但信號回流路徑由信號線布線、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題非常關(guān)鍵。我們用示波器能看到信號的波形，從而可幫助解決信號完整性問題，那么有沒有設(shè)備能看到輻射的“圖形”以及電路板上的回流呢？

　　電磁場高速掃描測量技術(shù)

　　在各種電磁輻射測量方法中，有一種近場掃描測量方法能解決這個(gè)問題，該方法基于這樣的原理設(shè)計(jì)，即電磁輻射是被測設(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場陣列探頭(有32×40＝1280個(gè)探頭)來探測DUT上的電流，在測量期間，DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場的變化，系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺圖像(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)測試前就能發(fā)現(xiàn)有EMI問題的區(qū)域并采取相應(yīng)措施。

　　近場掃描原理Emscan的測量主要在活性近場區(qū)域(r<<λ/2π)進(jìn)行，DUT上發(fā)出的輻射信號大部分被耦合到磁場探頭上，少量能量擴(kuò)散到自由空間。磁場探頭耦合了近H場的磁通線以及PCB上的電流，另外它也獲取一些近E場的微量成分。

　　大電流低電壓電流源主要與磁場相關(guān)，而高電壓小電流電壓源則主要與電場相關(guān)，在PCB上，純電場或者純磁場都是很少見的。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)字電路的趨勢也是使用更低電壓差的邏輯器件，同時(shí)活性近場區(qū)域內(nèi)的磁場波阻抗遠(yuǎn)小于電場波阻抗。綜合這些因素，大部分PCB活性近場區(qū)域能量都包含在近磁場中，因此Emscan掃描系統(tǒng)采用的磁場環(huán)適合于這些PCB的近場診斷。

　　所有的環(huán)是一樣的，然而它們在反饋網(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)相對參考源的響應(yīng)都被測量出來并考慮為濾波轉(zhuǎn)移函數(shù)。為了保證測量的線性度，Emscan測量的是這個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)的 倒數(shù)。

　　由于采用了陣列天線和電子自動切換天線技術(shù)，因此測量速度大大加快，比手工單探頭測量方案快幾千倍，也比自動單探頭測量方案快幾百倍，能夠快速有效判斷電路修改前后的效果(圖2)。快速掃描技術(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量精度的技術(shù)，提高了測量的精確性和可重復(fù)性。

　　評估PCB近場輻射干擾的測量方法

　　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，并存儲每個(gè)頻率點(diǎn)的最大電平。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，接收信噪比會降低，而且還會有“分離”效應(yīng)。實(shí)際測量中，這個(gè)距離應(yīng)該小于1.5cm。我們可以看到，對元件面的測量有時(shí)候可能會因?yàn)樵骷母叨榷箿y量出現(xiàn)問題，因此元器件的高度必須要考慮，以對測量的電壓電平進(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量結(jié)果，但是這些結(jié)果不能評判產(chǎn)品是否符合EMC特性，因?yàn)樗鼫y量的值是PCB板上的高頻電流產(chǎn)生的電磁近場。而標(biāo)準(zhǔn)EMC測試是要求在開闊場地(OATS)或者在暗室進(jìn)行的，距離為3米(即遠(yuǎn)場)。

　　盡管Emscan的測量不能取代標(biāo)準(zhǔn)EMC測試，但是實(shí)踐證明，它確實(shí)有很多用途。通過對測量結(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。

　　上述測量可作為PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量評估的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步來說，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EMC特性進(jìn)行比較可靠的評估，例如是否應(yīng)該采用屏蔽手段等。

　　特別值得一提的是，電磁場高速掃描系統(tǒng)還能揭示瞬態(tài)EMI問題，瞬態(tài)EMI問題在電磁兼容性測量中往往不會被檢測到，但是它們會影響產(chǎn)品的性能和可靠性。

　　PCB抗干擾性能的評估

　　在實(shí)際使用中，所有電子設(shè)備都會受到電磁場的干擾，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)備的性能就會受電磁干擾的影響。事實(shí)表明，干擾信號的頻率可能會有幾百M(fèi)Hz，這些干擾主要通過連接的導(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。

　　通過適當(dāng)修改上面提到的測量方法，在產(chǎn)品開發(fā)和測試階段就能夠正確評估產(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)行與所加干擾信號一致的頻率進(jìn)行空間掃描。干擾信號從耦合點(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，然后可以根據(jù)下面一些原則對空間掃描結(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、插入濾波器的有效性(衰減干擾信號)、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)問題，及時(shí)采取有效措施消除或抑制系統(tǒng)內(nèi)部和對外電磁干擾，確保產(chǎn)品EMC測試一次通過，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場地測試，每次去EMC場地測試都需要等3～4周時(shí)間。如果產(chǎn)品沒有通過測試，整個(gè)過程將非常長，而且還不得不重復(fù)進(jìn)行，直到通過測試。電磁干擾掃描技術(shù)能讓工程師在“設(shè)計(jì)過程中”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場地測試的次數(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。