目前大部分硬件工程師還只是憑經驗來設計PCB,在調試過程中,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。要想驗證產品的EMC特性,只有把產品拿到標準電磁兼容測量室去測量,由于這種測量只能測產品對外輻射情況,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驗去修改PCB,并重復試驗。這種試驗方法非常昂貴,而且可能耽誤產品的上市時間。
當然,現在有很多高速PCB分析和仿真設計工具,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間上進行折中,精度相對較高的,需要的計算時間很長,而仿真速度快的工具,其精度又很低。因此用這些工具進行仿真,不能完全解決高速PCB設計中的相互干擾問題。
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電源和地分布結構以及電源供電點、去耦電容和器件放置位置和數量等多種因素所決定,故而對復雜系統的回流路徑從理論上進行判定非常困難。
所以在設計階段排除輻射噪聲問題非常關鍵。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
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問題,該方法基于這樣的原理設計,即電磁輻射是被測設備(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Emscan就是根據這個原理制成的,它采用H場陣列探頭(有32×40=1280個探頭)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,系統可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺圖像。
Emscan電磁兼容掃描系統已經在通信、汽車、辦公電器以及消費電子等工業(yè)領域得到廣泛應用,通過該系統提供的電流密度圖,工程師在進行電磁兼容性標準測試前就能發(fā)現有EMI問題的區(qū)域并采取相應措施。