PCB板完整電磁信息的獲取及應(yīng)用

?

調(diào)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(shè)備，但是這些手段都無法給出一個反映PCB板整體信息的數(shù)據(jù)。本文介紹用EMSCAN電磁干擾掃描系統(tǒng)獲得PCB完整電磁信息的方法，并介紹如何利用這些信息來幫助設(shè)計和調(diào)試。

EMSCAN具有頻譜掃描功能和空間掃描功能。頻譜掃描的結(jié)果可以讓我們對EUT產(chǎn)生的頻譜有一個大致的認(rèn)識：有多少個頻率分量，每個頻率分量的幅度大致是多少?？臻g掃描的結(jié)果，是針對一個頻率點的，是一張以顏色代表幅度的地形圖，我們能實時看清PCB產(chǎn)生的某個頻率點的動態(tài)的電磁場分布情況。

全頻段掃描

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(nèi)每個探頭的全部頻譜數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)想象為一堆空間掃描數(shù)據(jù)(每個空間掃描分別為不同的頻率，可由你來控制不同的顯示)，也可以想象為一堆頻譜掃描數(shù)據(jù)(每個頻譜掃描來自PCB的不同物理位置，可以是一個或幾個柵格)。你可以：
1. 像查看空間掃描結(jié)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(jié)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(lán)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(chǎn)生的頻譜圖(藍(lán)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

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(jìn)行一個比喻,可以把遠(yuǎn)場測試(EMC標(biāo)準(zhǔn)測試)比喻為“檢測火災(zāi)”，如果有頻率點超出極限值，就認(rèn)為是“發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)”。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(jī)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(chǎn)品內(nèi)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。

用EMSCAN檢查整機(jī)EMI問題時，一般采用由“火苗”到“火種”的追蹤過程。例如，先掃描機(jī)箱或者電纜，檢查干擾來自哪個部位，進(jìn)一步追蹤到產(chǎn)品內(nèi)部，是哪塊PCB產(chǎn)生的干擾，再進(jìn)一步可以追蹤到器件或者布線。

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(chǎn)生這些干擾的最強(qiáng)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(chǎn)生在一個位置，有時偶次諧波與奇次諧波在不同的位置產(chǎn)生，也有可能各個諧波分量在各個不同的位置產(chǎn)生。這種情況下，可以通過查看你所關(guān)心的頻率點的空間分布，找到輻射最強(qiáng)的位置。

(4) 在輻射最強(qiáng)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(shè)備的實測案例中，輻射干擾從電話線電纜中輻射出來，對這根電纜增加屏蔽或者濾波手段顯然是不可行的，于是工程師束手無策。用EMSCAN進(jìn)行上述追蹤掃描后，最終在處理機(jī)板上，多化了幾塊錢，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(fù)雜程度的增加，調(diào)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(jīng)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(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常的頻譜，再采用“干擾源定位技術(shù)”，把異常頻譜的產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計質(zhì)量的應(yīng)用案例

一塊好的PCB需要工程師精心設(shè)計，需要考慮的問題包括：

(1) 合理的層疊設(shè)計

特別是地平面和電源平面的安排，以及敏感信號線(時鐘信號)及產(chǎn)生大量輻射的信號線(地址線和數(shù)據(jù)線)所在層的設(shè)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(chǎn)生較少的諧波及較低的輻射強(qiáng)度。

(3) 良好的電源濾波

合理的濾波電容的類型、容值、數(shù)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(yán)重影響地平面以及電源平面的完整性，從而產(chǎn)生大量的感性串?dāng)_、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(shè)備功能正常(保證信號完整性)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(chǎn)生的電磁輻射的幅度和諧波數(shù)量。例如需要選擇合適的阻尼電阻、合適的濾波手段等。

以前，我們沒有簡單而科學(xué)的手段來評估PCB的設(shè)計質(zhì)量及PCB設(shè)計人員的設(shè)計水平。利用PCB產(chǎn)生的完整的電磁場信息，能對PCB設(shè)計質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)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(shè)計質(zhì)量：1. 頻率點數(shù)量：即諧波數(shù)量。2. 瞬態(tài)干擾：不穩(wěn)定的電磁干擾。3. 輻射強(qiáng)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(jìn)。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(jié)果見圖7：

從圖7的頻譜圖中，可以看出，A板的質(zhì)量明顯比B板好，因為：

1. A板的頻率點數(shù)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(biāo)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。

大量的測試案例證明，這種利用PCB產(chǎn)生的完整電磁場信息來評估PCB設(shè)計質(zhì)量的方法，是完全合理的。我們能從PCB設(shè)計質(zhì)量看出設(shè)計人員的設(shè)計水平，同時也能為設(shè)計人員不斷提高設(shè)計水平，提供最直觀的指導(dǎo)。

本文小結(jié)

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(rèn)識，不僅有助于工程師解決EMI/EMC問題，還能幫助工程師調(diào)試PCB，并不斷提高PCB的設(shè)計質(zhì)量。同樣，EMSCAN的應(yīng)用還有很多，例如幫助工程師解決電磁敏感性問題等等。