【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輻射騷擾測試超標(biāo)，通過近遠(yuǎn)場掃描配合定位分析，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)品在進行 EMC 研發(fā)摸底測試時發(fā)現(xiàn)，整機輻射騷擾垂直方向測試超標(biāo)，超標(biāo)點頻率為 150M Hz，同時伴有 20M Hz 間隔的脈沖騷擾。在實驗室輻射騷擾的遠(yuǎn)場掃描圖（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 頻點騷擾源定位在系統(tǒng)某單板上，該單板（后文簡稱 A 單板）在系統(tǒng)中完成的功能為時鐘及通信控制。A 單板對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)試與時鐘級聯(lián)接口，輻射騷擾測試時不外接線纜。以太網(wǎng)接口測試時使用屏蔽網(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)線重新進行測試，測試結(jié)果通過。但是從測試數(shù)據(jù)中可以看出，150M Hz 的騷擾頻點仍然存在，只是幅值降低了 6.8dB。通過頻譜分析儀搭配近場探頭對單板進行近場掃描，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,同時單板保護地和屏蔽網(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）。這些頻點和圖 1 遠(yuǎn)場掃描100M Hz~200M Hz之間的騷擾頻點完全吻合。近場掃描圖如下圖 2 所示：

圖 2 該單板網(wǎng)口附近近場掃描圖

分析該單板的時鐘拓?fù)?，單板上電后?a target="_blank">FPGA 邏輯控制 10MHz 基準(zhǔn)時鐘輸出到 HDMI 接口做為調(diào)試和級聯(lián)輸出（如下圖 3）。從近場掃描數(shù)據(jù)分析，騷擾源極有可能是單板上的這個 10M 時鐘輸出。為了進一步確認(rèn)騷擾是由該時鐘引起，我們通過修改單板邏輯將輸出到HDMI 口的 10M 時鐘關(guān)閉，近場掃描 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 單板時鐘拓?fù)鋱D（部分）

10M 時鐘騷擾如何通過網(wǎng)線輻射出來？查看單板原理圖，為了對 HDMI 接口信號進行靜電防護，10M_TEST 時鐘信號輸出到外部時增加了一個對保護地的 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 時鐘電路

分析 A 單板 PCB（如下圖 5），Test_10M 時鐘從 FPGA 出來后通過內(nèi)層走線引到 HDMI接口，途中經(jīng)過 TVS 進行靜電防護，該 TVS 接單板保護地。單板保護地和數(shù)字地隔離，保護地靠近單板板邊及接口，為一狹長區(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 時鐘基頻會產(chǎn)生不同分量的高次諧波。從近場掃描數(shù)據(jù)來看，情況也是如此。 同時我們知道，電容在其諧振頻率點具有阻抗最小的特性（如下圖 6 所示）。如果 10M 時鐘的產(chǎn)生的高頻諧波分量頻率位于 TVS 結(jié)電容的諧振頻率點附近，則諧波騷擾電流將通過 TVS 結(jié)電容，則會形成上圖 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)造成輻射騷擾測試超標(biāo)。為了驗證此想法，將 TEST_10M 時鐘對保護地的 TVS 去除，插上網(wǎng)線后在暗室遠(yuǎn)場掃描，測試結(jié)果通過，150M 頻點完全消失。

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單起來。我們從傳播路徑入手，將 TEST_10M 時鐘的 TVS 由保護地接到數(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地流入到外接屏蔽線纜。經(jīng)過上面整改措施后，整機的輻射騷擾結(jié)果得到了非常有效的改善，PCB 改動后的遠(yuǎn)場測試結(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)測試一直可以通過）。同時對改動后的單板進行了接口靜電放電和浪涌試驗，達到的指標(biāo)和未改動前一致，保證 PCB 改動對 EMC 抗擾設(shè)計沒有影響。

圖7整改后的系統(tǒng)遠(yuǎn)場掃描圖（垂直）

4 總結(jié)

上面的案例分析和解決過程，總結(jié)出了以下幾點經(jīng)驗：

（1）PCB 設(shè)計時注意地平面的完整性，同時盡量避免設(shè)計成狹長形狀；

（2）TVS 結(jié)電容對時鐘信號產(chǎn)生的高頻諧波電流可能形成通路，在設(shè)計時需要注意它的接地 。

審核編輯：湯梓紅