PCB板电磁信息的获取及运用

2013年05月28日 13:05    qq8426030
关键词: PCB , 电磁

调试PCB的传统工具包括:时域的示波器、TDR(时域反射测量法)示波器、逻辑分析仪,以及频域的频谱分析仪等设备,但是这些手段都无法给出一个反映PCB板整体信息的数据。PCB板又称印刷电路板、印刷线路板,简称印制板,英文简称PCB(printed circuit board )或PWB(printed wiring board),以绝缘板为基材,切成一定尺寸,其上至少附有一个导电图形,并布有孔(如元件孔、紧固孔、金属化孔等),用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实现电子元器件之间的相互连接。由于这种板是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的,因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。

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  Emscan电磁兼容扫描系统采用了具有专利的阵列天线技术和电子切换技术,能对PCB的电流进行高速测量。Emscan的关键是采用了具有专利的阵列天线来测量放在扫描器上的工作着的PCB的近场辐射。这个天线阵列由40 x 32 (1280) 个小型H-场探头组成,这些探头被嵌在一个8层电路板中,在该电路板上加上了一层保护层以放置被测PCB。频谱扫描的结果可以让我们对EUT产生的频谱有一个大致的认识:有多少个频率分量,每个频率分量的幅度大致是多少。

  全频段扫描

  PCB板的设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计实现。

  在执行频谱/空间扫描功能时,把工作着的PCB放置到扫描器上,PCB被扫描器的栅格划分为7.6mm×7.6mm的小格(每个小格含有一个H场探头),执行对每个探头的全频段扫描(频率范围可以从10kHz-3GHz)后,Emscan最终给出两张图,分别为合成频谱图(图1)和合成空间图(图2)。

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  频谱/空间扫描获得的是整个扫描区域内每个探头的全部频谱数据。执行一次频谱/空间扫描后就可以得到所有空间位置的所有频率的电磁辐射信息,你可以将图1和图2的频谱/空间扫描数据想象为一堆空间扫描数据,也可以想象为一堆频谱扫描数据。你可以:

  1. 像查看空间扫描结果一样,查看指定频率点(一个或多个频率)的空间分布图,如图3所示。

  2. 像查看频谱扫描结果一样,查看指定物理位置点(一个或多个栅格)的频谱图,如图4所示。

  图3的各个空间分布图,是通过指定频率点来看该频率点的空间腹部图。通过在图中最上面的频谱图中用×指定频率点后得到的。可以指定一个频率点查看每个频率点的空间分布,也可以指定多个频率点,例如指定83M的所有谐波点,查看总的频谱图。

  图4的频谱图中,灰色部分是总频谱图,蓝色部分为指定位置的频谱图。是通过用×指定PCB上的物理位置,对比该位置产生的频谱图(蓝色)和总频谱图(灰色),找到干扰源的位置。从图4可以看出,这种方法对宽带干扰和窄带干扰,都能很快地找到干扰源的位置。

  快速定位电磁干扰源

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  频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。

  利用频谱分析仪和单个的近场探头,也能定位“干扰源”。这里用“灭火”的方法来进行一个比喻,可以把远场测试(EMC标准测试)比喻为“检测火灾”,如果有频率点超出极限值,就认为是“发现了火灾”。传统的“频谱分析仪+单探头”方案,一般是由EMI工程师使用,来探测“火苗从机箱的哪个部位窜出来”,检测到火苗后,一般的EMI抑制办法是用屏蔽和滤波,把“火苗”捂在产品内部。EMSCAN能让我们检测到干扰源的源头--“火种”,还能看清“火势”,即干扰源的传播途径。

  由图4可以很明显地看出,利用“完整电磁信息”,定位电磁干扰源是非常方便的,不仅能解决窄带电磁干扰问题,对宽带电磁干扰问题同样有效。

  一般的方法如下:

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  (1)查看基波的空间分布,在基波的空间分布图上找到幅度最大的物理位置。对于宽带干扰,则在宽带干扰的中间指定一个频率(例如一个60MHz-80MHz的宽带干扰,我们可以指定70MHz),检查该频率点的空间分布,找到幅度最大的物理位置。

  (2) 指定该位置,看该位置的频谱图。检查该位置的各个谐波点的幅度是否与总频谱图重合。如果重合,则说明指定位置是产生这些干扰的最强的地方。对于宽带干扰,则检查该位置是否为整个宽带干扰的最大位置。

  (3) 在很多情况下,不是所有谐波都产生在一个位置,有时偶次谐波与奇次谐波在不同的位置产生,也有可能各个谐波分量在各个不同的位置产生。这种情况下,可以通过查看你所关心的频率点的空间分布,找到辐射最强的位置。

  (4) 在辐射最强的地方采取手段,无疑对解决EMI/EMC问题是最有效的。

  这种真正能追踪到“源头”和传播途径的EMI排查方法,能让工程师以最低的成本和最快的速度排除EMI问题。在一个通信设备的实测案例中,辐射干扰从电话线电缆中辐射出来。用EMSCAN进行上述追踪扫描后,最终在处理机板上,多装了几个滤波电容,解决了工程师原来无法解决的EMI问题。

快速定位电路故障位置

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  随着PCB复杂程度的增加,调试的难度和工作量也不断增加。利用示波器或者逻辑分析仪,同时只能观察到1个或者有限的几个信号线的波形,而现在的PCB上可能有成千上万条信号线,工程师只能凭经验或者运气来找到问题的所在问题。

  如果我们有了正常板和故障板的“完整电磁信息”,通过对比两者的数据,发现异常的频谱,再采用“干扰源定位技术”,把异常频谱的产生位置找出来,就能很快找到故障的位置及原因。

  图5为正常板和故障板的频谱图,通过对比,很容易发现故障板上存在一个异常的宽带干扰。

  然后在故障板的空间分布图上去找产生这个“异常频谱”的位置,如图6所示,这样,故障位置就被定位到一个栅格(7.6mm×7.6mm)的位置,问题就能很快确诊。

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  评估PCB设计质量的应用案例

  一块好的PCB需要工程师精心设计,需要考虑的问题包括:

  (1) 合理的层叠设计

  特别是地平面和电源平面的安排,以及敏感信号线及产生大量辐射的信号线所在层的设计。还有地平面、电源平面的分割,以及跨越分割区域的信号线的布线。

  (2) 保持尽可能连续的信号线阻抗

  尽可能少的过孔;尽可能少的直角走线;以及尽可能小的电流回流面积,可以产生较少的谐波及较低的辐射强度。

  (3) 良好的电源滤波

  合理的滤波电容的类型、容值、数量、及放置位置,以及合理的地平面和电源平面的层叠安排,能保证电磁干扰被控制在尽可能小的区域。

  (4) 尽可能保证地平面的完整性

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  尽可能少的过孔;合理的过孔安全间距;合理的器件布局;合理的过孔安排,从而最大程度保证地平面的完整性。相反,密集的过孔以及过大的过孔安全间距,或者是不合理的器件布局,会严重影响地平面以及电源平面的完整性,从而产生大量的感性串扰、共模辐射,并会使电路对外界干扰更敏感。

  (5) 在信号完整性和电磁兼容性中找折中

  在保证设备功能正常的前提下,尽可能增加信号的上升沿和下降沿时间,减少信号产生的电磁辐射的幅度和谐波数量。例如需要选择合适的阻尼电阻、合适的滤波手段等。

  以前,利用PCB产生的完整的电磁场信息,能对PCB设计质量进行科学的评价。利用PCB的完整的电磁信息,可以从如下四个方面来评估PCB的设计质量:1. 频率点数量:即谐波数量。2. 瞬态干扰:不稳定的电磁干扰。3. 辐射强度:各个频率点电磁干扰的幅度大小。4. 分布区域:各个频率点的电磁干扰在PCB上的分布区域的大小。

  下面的例子中,A板是B板的改进。两块板的原理图以及主要器件的布局完全一致。两块板的频谱/空间扫描的结果见图7:

  从图7的频谱图中,可以看出,A板的质量明显比B板好,因为:

  1. A板的频率点数量明显比B板少;

  2. A板的大部分频率点的幅度比B板的小;

  3. A板的瞬态干扰(没有被标记的频率点)比B板的少。

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  从空间图中可以看出A板的总的电磁干扰分布区域比B板的小得多。再来看看某一个频率点的电磁干扰分布情况。从图8所示的462MHz这一个频率点的电磁干扰分布情况来看,A板的幅度小,而且区域很小。B板的幅度大,而且分布区域特别广。

  本文小结

  PCB完整电磁信息,能让我们对PCB的整体有一个非常直观的认识,不仅有助于工程师解决EMI/EMC问题,还能帮助工程师调试PCB,并不断提高PCB的设计质量。同样,EMSCAN的应用还有很多,例如帮助工程师解决电磁敏感性问题等等。

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