PCB板電磁信息怎樣獲取以及應用

調試PCB的傳統(tǒng)工具包括：時域的示波器、TDR（時域反射測量法）示波器、邏輯分析儀，以及頻域的頻譜分析儀等設備，但是這些手段都無法給出一個反映PCB板整體信息的數據。PCB板又稱印刷電路板、印刷線路板，簡稱印制板，英文簡稱PCB（printed circuit board ）或PWB（printed wiring board），以絕緣板為基材，切成一定尺寸，其上至少附有一個導電圖形，并布有孔（如元件孔、緊固孔、金屬化孔等），用來代替以往裝置電子元器件的底盤，并實現(xiàn)電子元器件之間的相互連接。由于這種板是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。習慣稱“印制線路板”為“印制電路”是不確切的，因為在印制板上并沒有“印制元件”而僅有布線。

Emscan電磁兼容掃描系統(tǒng)采用了具有專利的陣列天線技術和電子切換技術，能對PCB的電流進行高速測量。Emscan的關鍵是采用了具有專利的陣列天線來測量放在掃描器上的工作著的PCB的近場輻射。這個天線陣列由40 x 32 （1280） 個小型H－場探頭組成，這些探頭被嵌在一個8層電路板中，在該電路板上加上了一層保護層以放置被測PCB。頻譜掃描的結果可以讓我們對EUT產生的頻譜有一個大致的認識：有多少個頻率分量，每個頻率分量的幅度大致是多少。

全頻段掃描

PCB板的設計是以電路原理圖為根據，實現(xiàn)電路設計者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局、內部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護、熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設計可以節(jié)約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現(xiàn)，復雜的版圖設計需要借助計算機輔助設計實現(xiàn)。

在執(zhí)行頻譜／空間掃描功能時，把工作著的PCB放置到掃描器上，PCB被掃描器的柵格劃分為7.6mm×7.6mm的小格（每個小格含有一個H場探頭），執(zhí)行對每個探頭的全頻段掃描（頻率范圍可以從10kHz－3GHz）后，Emscan最終給出兩張圖，分別為合成頻譜圖（圖1）和合成空間圖（圖2）。

頻譜/空間掃描獲得的是整個掃描區(qū)域內每個探頭的全部頻譜數據。執(zhí)行一次頻譜/空間掃描后就可以得到所有空間位置的所有頻率的電磁輻射信息，你可以將圖1和圖2的頻譜/空間掃描數據想象為一堆空間掃描數據，也可以想象為一堆頻譜掃描數據。你可以：

1. 像查看空間掃描結果一樣，查看指定頻率點（一個或多個頻率）的空間分布圖，如圖3所示。

2. 像查看頻譜掃描結果一樣，查看指定物理位置點（一個或多個柵格）的頻譜圖，如圖4所示。

圖3的各個空間分布圖，是通過指定頻率點來看該頻率點的空間腹部圖。通過在圖中最上面的頻譜圖中用×指定頻率點后得到的?？梢灾付ㄒ粋€頻率點查看每個頻率點的空間分布，也可以指定多個頻率點，例如指定83M的所有諧波點，查看總的頻譜圖。

圖4的頻譜圖中，灰色部分是總頻譜圖，藍色部分為指定位置的頻譜圖。是通過用×指定PCB上的物理位置，對比該位置產生的頻譜圖（藍色）和總頻譜圖（灰色），找到干擾源的位置。從圖4可以看出，這種方法對寬帶干擾和窄帶干擾，都能很快地找到干擾源的位置。

快速定位電磁干擾源

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數字方式顯示分析結果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。

利用頻譜分析儀和單個的近場探頭，也能定位“干擾源”。這里用“滅火”的方法來進行一個比喻，可以把遠場測試（EMC標準測試）比喻為“檢測火災”，如果有頻率點超出極限值，就認為是“發(fā)現(xiàn)了火災”。傳統(tǒng)的“頻譜分析儀＋單探頭”方案，一般是由EMI工程師使用，來探測“火苗從機箱的哪個部位竄出來”，檢測到火苗后，一般的EMI抑制辦法是用屏蔽和濾波，把“火苗”捂在產品內部。EMSCAN能讓我們檢測到干擾源的源頭--“火種”，還能看清“火勢”，即干擾源的傳播途徑。

由圖4可以很明顯地看出，利用“完整電磁信息”，定位電磁干擾源是非常方便的，不僅能解決窄帶電磁干擾問題，對寬帶電磁干擾問題同樣有效。

一般的方法如下：

（1）查看基波的空間分布，在基波的空間分布圖上找到幅度最大的物理位置。對于寬帶干擾，則在寬帶干擾的中間指定一個頻率（例如一個60MHz－80MHz的寬帶干擾，我們可以指定70MHz），檢查該頻率點的空間分布，找到幅度最大的物理位置。

（2） 指定該位置，看該位置的頻譜圖。檢查該位置的各個諧波點的幅度是否與總頻譜圖重合。如果重合，則說明指定位置是產生這些干擾的最強的地方。對于寬帶干擾，則檢查該位置是否為整個寬帶干擾的最大位置。

（3） 在很多情況下，不是所有諧波都產生在一個位置，有時偶次諧波與奇次諧波在不同的位置產生，也有可能各個諧波分量在各個不同的位置產生。這種情況下，可以通過查看你所關心的頻率點的空間分布，找到輻射最強的位置。

（4） 在輻射最強的地方采取手段，無疑對解決EMI/EMC問題是最有效的。

這種真正能追蹤到“源頭”和傳播途徑的EMI排查方法，能讓工程師以最低的成本和最快的速度排除EMI問題。在一個通信設備的實測案例中，輻射干擾從電話線電纜中輻射出來。用EMSCAN進行上述追蹤掃描后，最終在處理機板上，多裝了幾個濾波電容，解決了工程師原來無法解決的EMI問題。

快速定位電路故障位置

隨著PCB復雜程度的增加，調試的難度和工作量也不斷增加。利用示波器或者邏輯分析儀，同時只能觀察到1個或者有限的幾個信號線的波形，而現(xiàn)在的PCB上可能有成千上萬條信號線，工程師只能憑經驗或者運氣來找到問題的所在問題。

如果我們有了正常板和故障板的“完整電磁信息”，通過對比兩者的數據，發(fā)現(xiàn)異常的頻譜，再采用“干擾源定位技術”，把異常頻譜的產生位置找出來，就能很快找到故障的位置及原因。

圖5為正常板和故障板的頻譜圖，通過對比，很容易發(fā)現(xiàn)故障板上存在一個異常的寬帶干擾。

然后在故障板的空間分布圖上去找產生這個“異常頻譜”的位置，如圖6所示，這樣，故障位置就被定位到一個柵格（7.6mm×7.6mm）的位置，問題就能很快確診。

評估PCB設計質量的應用案例

一塊好的PCB需要工程師精心設計，需要考慮的問題包括：

（1） 合理的層疊設計

特別是地平面和電源平面的安排，以及敏感信號線及產生大量輻射的信號線所在層的設計。還有地平面、電源平面的分割，以及跨越分割區(qū)域的信號線的布線。

（2） 保持盡可能連續(xù)的信號線阻抗

盡可能少的過孔；盡可能少的直角走線；以及盡可能小的電流回流面積，可以產生較少的諧波及較低的輻射強度。

（3） 良好的電源濾波

合理的濾波電容的類型、容值、數量、及放置位置，以及合理的地平面和電源平面的層疊安排，能保證電磁干擾被控制在盡可能小的區(qū)域。

（4） 盡可能保證地平面的完整性

盡可能少的過孔；合理的過孔安全間距；合理的器件布局；合理的過孔安排，從而最大程度保證地平面的完整性。相反，密集的過孔以及過大的過孔安全間距，或者是不合理的器件布局，會嚴重影響地平面以及電源平面的完整性，從而產生大量的感性串擾、共模輻射，并會使電路對外界干擾更敏感。

（5） 在信號完整性和電磁兼容性中找折中

在保證設備功能正常的前提下，盡可能增加信號的上升沿和下降沿時間，減少信號產生的電磁輻射的幅度和諧波數量。例如需要選擇合適的阻尼電阻、合適的濾波手段等。

以前，利用PCB產生的完整的電磁場信息，能對PCB設計質量進行科學的評價。利用PCB的完整的電磁信息，可以從如下四個方面來評估PCB的設計質量：1. 頻率點數量：即諧波數量。2. 瞬態(tài)干擾：不穩(wěn)定的電磁干擾。3. 輻射強度：各個頻率點電磁干擾的幅度大小。4. 分布區(qū)域：各個頻率點的電磁干擾在PCB上的分布區(qū)域的大小。

下面的例子中，A板是B板的改進。兩塊板的原理圖以及主要器件的布局完全一致。兩塊板的頻譜/空間掃描的結果見圖7：

從圖7的頻譜圖中，可以看出，A板的質量明顯比B板好，因為：

1. A板的頻率點數量明顯比B板少；

2. A板的大部分頻率點的幅度比B板的小；

3. A板的瞬態(tài)干擾（沒有被標記的頻率點）比B板的少。

從空間圖中可以看出A板的總的電磁干擾分布區(qū)域比B板的小得多。再來看看某一個頻率點的電磁干擾分布情況。從圖8所示的462MHz這一個頻率點的電磁干擾分布情況來看，A板的幅度小，而且區(qū)域很小。B板的幅度大，而且分布區(qū)域特別廣。

本文小結

PCB完整電磁信息，能讓我們對PCB的整體有一個非常直觀的認識，不僅有助于工程師解決EMI/EMC問題，還能幫助工程師調試PCB，并不斷提高PCB的設計質量。同樣，EMSCAN的應用還有很多，例如幫助工程師解決電磁敏感性問題等等。