电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用brwf.docx

《电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用brwf.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用brwf.docx（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电磁场高高速自动动扫描技技术在高高速PCCB设计计中的应应用电磁兼容容测试对对即将进进入市场场的电子子产品是是非常重重要的一一项测试试，但以以往的测测试只能能得出能能否通过过的结果果，不能能提供更更多有用用信息。本本文介绍绍利用高高速自动动扫描技技术测量量电磁辐辐射，检检测PCCB板上上电磁场场的变化化情况，使使工程技技术人员员在进行行电磁兼兼容性标标准测试试前就能能发现相相关问题题并及时时予以纠纠正。 随着当当今电子子产品主主频提高高、布线线密度增增加以及及大量BBGA封封装器件件和高速速逻辑器器件的使使用，设设计人员员不得不不通过增增加PCCB板的的层数来来减少信信号与信信号间的的相互影影

2、响。同同时在大大量便携携式终端端设备中中，为了了降低系系统功耗耗必须采采用多电电平方案案，而这这些设备备还有模模拟或者者RF电电路，需需要采用用多种地地，又必必须使用用电源平平面和地地平面分分割的技技术。因因此PCCB板上上的信号号之间存存在大量量辐射干干扰，造造成设备备功能故故障或者者工作不不稳定，而而且所有有信号对对外形成成很强电电磁辐射射，使得得EMCC测试也也成为产产品上市市的一个个障碍。目前大大部分硬硬件工程程师还只只是凭经经验来设设计PCCB，在在调试过过程中，很很多需要要观测的的信号线线或者芯芯片引脚脚被埋在在PCBB中间层层，无法法使用示示波器等等工具去去探测，如如果产品品不能

3、通通过功能能测试，他他们也没没有有效效的手段段去查找找问题的的原因。要要想验证证产品的的EMCC特性，只只有把产产品拿到到标准电电磁兼容容测量室室去测量量，由于于这种测测量只能能测产品品对外辐辐射情况况，就算算没有通通过也不不能为解解决问题题提供有有用的信信息，因因此工程程师只能能凭经验验去修改改PCBB，并重重复试验验。这种种试验方方法非常常昂贵，而而且可能能耽误产产品的上上市时间间。当然，现现在有很很多高速速PCBB分析和和仿真设设计工具具，可以以帮助工工程师解解决一些些问题，可可是目前前在器件件模型上上还存在在很多限限制，例例如能解解决信号号完整性性(SII)仿真真的IBBIS模模型就有

4、有很多器器件没有有模型或或者模型型不准确确。要精精确仿真真EMCC问题，就就必须用用SPIICE模模型，但但目前几几乎所有有的ASSIC都都不能提提供SPPICEE模型，而而如果没没有SPPICEE模型，EEMC仿仿真是无无法把器器件本身身的辐射射考虑在在内的(器件的的辐射比比传输线线的辐射射大得多多)。另另外，仿仿真工具具往往要要在精度度和仿真真时间上上进行折折中，精精度相对对较高的的，需要要的计算算时间很很长，而而仿真速速度快的的工具，其其精度又又很低。因因此用这这些工具具进行仿仿真，不不能完全全解决高高速PCCB设计计中的相相互干扰扰问题。我们知知道，在在多层PPCB中中高频信信号的回回

5、流路径径应该在在该信号号线层临临近的参参考地平平面(电电源层或或者地层层)上，这这样的回回流和阻阻抗最小小，但是是实际的的地层或或电源层层中会有有分割和和镂空，从从而改变变回流路路径，导导致回流流面积变变大，引引起电磁磁辐射和和地弹噪噪声。如如果工程程师能清清楚电流流路径的的话，就就能避免免大的回回流路径径，从而而有效控控制电磁磁辐射。但但信号回回流路径径由信号号线布线线、PCCB电源源和地分分布结构构以及电电源供电电点、去去耦电容容和器件件放置位位置和数数量等多多种因素素所决定定，故而而对复杂杂系统的的回流路路径从理理论上进进行判定定非常困困难。所以在在设计阶阶段排除除辐射噪噪声问题题非常关

6、关键。我我们用示示波器能能看到信信号的波波形，从从而可帮帮助解决决信号完完整性问问题，那那么有没没有设备备能看到到辐射的的“图形形”以及及电路板板上的回回流呢？电磁磁场高速速扫描测测量技术术在各种种电磁辐辐射测量量方法中中，有一一种近场场扫描测测量方法法能解决决这个问问题，该该方法基基于这样样的原理理设计，即即电磁辐辐射是被被测设备备(DUUT)上上的高频频电流回回路形成成的。如如加拿大大EMSSCANN公司的的电磁辐辐射扫描描系统EEmsccan就就是根据据这个原原理制成成的，它它采用HH场阵列列探头(有32240012280个个探头)来探测测DUTT上的电电流，在在测量期期间，DDUT直直

7、接放在在扫描器器的上面面。这些些探头可可以检测测由于高高频电流流发生变变化而引引起的电电磁场的的变化，系系统可提提供RFF电流在在PCBB上空间间分布的的视觉图图像(图图1)。Emsscann电磁兼兼容扫描描系统已已经在通通信、汽汽车、办办公电器器以及消消费电子子等工业业领域得得到广泛泛应用，通通过该系系统提供供的电流流密度图图，工程程师在进进行电磁磁兼容性性标准测测试前就就能发现现有EMMI问题题的区域域并采取取相应措措施。近场扫扫描原理理Emsscann的测量量主要在在活性近近场区域域(r/2)进行，DDUT上上发出的的辐射信信号大部部分被耦耦合到磁磁场探头头上，少少量能量量扩散到到自由空

8、空间。磁磁场探头头耦合了了近H场场的磁通通线以及及PCBB上的电电流，另另外它也也获取一一些近EE场的微微量成分分。大电流流低电压压电流源源主要与与磁场相相关，而而高电压压小电流流电压源源则主要要与电场场相关，在在PCBB上，纯纯电场或或者纯磁磁场都是是很少见见的。RRF和微微波电路路中，电电路的输输入阻抗抗以及连连接用的的微带或或者微带带线，其其阻抗都都被设计计为500欧姆，这这种低阻阻抗设计计使得这这些元器器件产生生大电流流和低电电压变化化，此外外数字电电路的趋趋势也是是使用更更低电压压差的逻逻辑器件件，同时时活性近近场区域域内的磁磁场波阻阻抗远小小于电场场波阻抗抗。综合合这些因因素，大大

9、部分PPCB活活性近场场区域能能量都包包含在近近磁场中中，因此此Emsscann扫描系系统采用用的磁场场环适合合于这些些PCBB的近场场诊断。所有的的环是一一样的，然然而它们们在反馈馈网络中中的位置置不同，因因此反馈馈网络可可感应各各个环的的响应，每每个环相相对参考考源的响响应都被被测量出出来并考考虑为滤滤波转移移函数。为为了保证证测量的的线性度度，Emmscaan测量量的是这这个转移移函数的的倒数。由于采采用了阵阵列天线线和电子子自动切切换天线线技术，因因此测量量速度大大大加快快，比手手工单探探头测量量方案快快几千倍倍，也比比自动单单探头测测量方案案快几百百倍，能能够快速速有效判判断电路路修

10、改前前后的效效果(图图2)。快快速扫描描技术及及其先进进幅度保保持扫描描技术和和同步扫扫描技术术使该系系统能有有效捕捉捉瞬态事事件，同同时它采采用能提提升频谱谱分析仪仪测量精精度的技技术，提提高了测测量的精精确性和和可重复复性。评估PCCB近场场辐射干干扰的测测量方法法PCBB辐射干干扰情况况的检查查可分几几步进行行。首先先确定需需要扫描描的区域域，然后后选择能能充分采采样扫描描区域的的探头(栅格77.5mmm)，在在1000kHzz3GGHz的的频率范范围内进进行频谱谱扫描，并并存储每每个频率率点的最最大电平平。注意意，比较较大的频频率点可可利用空空间扫描描在扫描描区域内内作进一一步检查查，

11、这样样可以定定位干扰扰源以及及关键电电路路径径。被测板板必须尽尽可能靠靠近扫描描器板，因因为随着着距离增增加，接接收信噪噪比会降降低，而而且还会会有“分分离”效效应。实实际测量量中，这这个距离离应该小小于1.5cmm。我们们可以看看到，对对元件面面的测量量有时候候可能会会因为元元器件的的高度而而使测量量出现问问题，因因此元器器件的高高度必须须要考虑虑，以对对测量的的电压电电平进行行校正。在在基本检检查中，需需考虑分分离距离离校正因因子。我们可可以很快快得到测测量结果果，但是是这些结结果不能能评判产产品是否否符合EEMC特特性，因因为它测测量的值值是PCCB板上上的高频频电流产产生的电电磁近场场

12、。而标标准EMMC测试试是要求求在开阔阔场地(OATTS)或或者在暗暗室进行行的，距距离为33米(即即远场)。尽管EEmsccan的的测量不不能取代代标准EEMC测测试，但但是实践践证明，它它确实有有很多用用途。通通过对测测量结果果的分析析，可以以得出很很多结论论以利于于产品的的后续开开发。除除了得到到电压电电平外，下下列信息息也非常常重要：干扰产产生点、干干扰分布布、覆盖盖大区域域的干扰扰传导路路径、干干扰被限限制在PPCB上上的狭窄窄区域以以及内部部结构或或临近II/O模模块间的的耦合等等，还可可以看到到数字电电路和模模拟电路路分开的的效果。上述测测量可作作为PCCB设计计质量评评估的一一

13、个标准准，进一一步来说说，如果果我们已已经知道道了一个个类似的的PCBB的EMMC特性性，我们们完全可可以在产产品开发发早期对对EMCC特性进进行比较较可靠的的评估，例例如是否否应该采采用屏蔽蔽手段等等。特别值值得一提提的是，电电磁场高高速扫描描系统还还能揭示示瞬态EEMI问问题，瞬瞬态EMMI问题题在电磁磁兼容性性测量中中往往不不会被检检测到，但但是它们们会影响响产品的的性能和和可靠性性。PCB抗抗干扰性性能的评评估在实际际使用中中，所有有电子设设备都会会受到电电磁场的的干扰，如如果一个个设备不不能满足足抗干扰扰要求，也也不进行行屏蔽，那那么该设设备的性性能就会会受电磁磁干扰的的影响。事事实

14、表明明，干扰扰信号的的频率可可能会有有几百MMHz，这这些干扰扰主要通通过连接接的导体体进行耦耦合，因因此I/O模块块的抗干干扰设计计非常重重要。为为了增强强产品的的抗干扰扰性能，有有时不得得不增加加滤波等等手段，这这意味着着会增加加产品的的成本。从从这种角角度上看看，寻找找一种能能优化所所有电路路和元器器件的解解决方案案非常重重要。通过适适当修改改上面提提到的测测量方法法，在产产品开发发和测试试阶段就就能够正正确评估估产品的的抗干扰扰性能。改改进后的的方法如如下：把把PCBB放在扫扫描器板板上进行行频谱扫扫描以决决定PCCB的干干扰频率率，然后后把该频频率正弦弦波干扰扰信号用用夹子或或者适当

15、当耦合设设备(如如平衡线线上用的的T-LLISNN)耦合合到I/O线或或导体上上，采用用步距110MHHz、频频率范围围能满足足10MMHz到到1500MHzz(避免免与PCCB板的的干扰频频率重叠叠)、功功率220到00dBmm(取决决于耦合合器件和和PCBB的类型型)的发发生器，执执行与所所加干扰扰信号一一致的频频率进行行空间扫扫描。干干扰信号号从耦合合点到PPCB内内的分布布情况就就能非常常清楚地地在空间间扫描图图形上看看出来，然然后可以以根据下下面一些些原则对对空间扫扫描结果果进行解解释，包包括PCCB上哪哪些区域域分布有有耦合上上去的干干扰信号号、插入入滤波器器的有效效性(衰衰减干扰

16、扰信号)、临近近I/OO导体耦耦合情况况以及PPCB接接地层或或者区域域的有效效性等。经济效益益电磁场场高速扫扫描技术术在PCCB设计计和调试试中的应应用，能能帮助及及早发现现问题，及及时采取取有效措措施消除除或抑制制系统内内部和对对外电磁磁干扰，确确保产品品EMCC测试一一次通过过，从而而加快产产品设计计进程，提提高产品品设计质质量，节节省产品品开发费费用，减减少产品品的售后后服务工工作量。平均而而言，一一个新产产品设计计需要22至4次次去EMMC场地地测试，每每次去EEMC场场地测试试都需要要等34周时时间。如如果产品品没有通通过测试试，整个个过程将将非常长长，而且且还不得得不重复复进行，直直到通过过测试。电电磁干扰扰扫描技技术能让让工程师师在“设设计过程程中”考考虑产品品电磁兼兼容性，从从而缩短短产品开开发时间间和减少少去EMMC场地地测试的的次数。典典型情况况下可以以把产品品的上市市时间提提前3至至12周周或者更更多。另外替替代元件件的确定定对于确确保持续续生产和和成本控控制也是是非常重重要的，很很多情况况下，替替代元件件与首选选元件的的电磁辐辐射特性性不一致致，电磁磁扫描技技术提供供了一种种快速有有效评估估替代元元件可用用性的手手段，能能保证在在不影响响产品电电磁完整整性的前前提下降降低产品品的生产产成本。