高速PCB設(shè)計(jì)中的電磁輻射檢測(cè)技術(shù)

目前大部分硬件工程師還只是憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)PCB，在調(diào)試過(guò)程中，很多需要觀測(cè)的信號(hào)線或者芯片引腳被埋在PCB中間層，無(wú)法使用示波器等工具去探測(cè)，如果產(chǎn)品不能通過(guò)功能測(cè)試，他們也沒(méi)有有效的手段去查找問(wèn)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(cè)量室去測(cè)量，由于這種測(cè)量只能測(cè)產(chǎn)品對(duì)外輻射情況，就算沒(méi)有通過(guò)也不能為解決問(wèn)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(wèn)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(hào)完整性(SI)仿真的IBIS模型就有很多器件沒(méi)有模型或者模型不準(zhǔn)確。要精確仿真EMC問(wèn)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(méi)有SPICE模型，EMC仿真是無(wú)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(duì)較高的，需要的計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，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(wèn)題。

我們知道，在多層PCB中高頻信號(hào)的回流路徑應(yīng)該在該信號(hào)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(huì)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(hào)回流路徑由信號(hào)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(duì)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(wèn)題非常關(guān)鍵。我們用示波器能看到信號(hào)的波形，從而可幫助解決信號(hào)完整性問(wèn)題，那么有沒(méi)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(chǎng)高速掃描測(cè)量技術(shù)

在各種電磁輻射測(cè)量方法中，有一種近場(chǎng)掃描測(cè)量方法能解決這個(gè)問(wèn)題，該方法基于這樣的原理設(shè)計(jì)，即電磁輻射是被測(cè)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(chǎng)陣列探頭(有32×40=1280個(gè)探頭)來(lái)探測(cè)DUT上的電流，在測(cè)量期間，DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測(cè)由于高頻電流發(fā)生變化而引起的電磁場(chǎng)的變化，系統(tǒng)可提供RF電流在PCB上空間分布的視覺(jué)圖像。

Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)已經(jīng)在通信、汽車(chē)、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(guò)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(cè)試前就能發(fā)現(xiàn)有EMI問(wèn)題的區(qū)域并采取相應(yīng)措施。