Co promieniuje na mojej płytce drukowanej?

Niedawno wykonałem odpowiedni test EMC na mojej płytce drukowanej. Test zakończył się niepowodzeniem i wydaje się, że promieniuje w zakresie 300 MHz - 1 GHz, z pikami co 50 MHz i małymi pikami w 25 MHz.

Patrząc na pole bliskie, możesz wyraźnie zobaczyć wiele harmonicznych 25 MHz wokół:

Płytka zawiera kryształ 25 MHz, który musi być źródłem sygnału, ale pytanie brzmi: co na płycie promieniuje? Czym może być antena? Oto moi kandydaci:

• Płaszczyzna uziemienia działająca jako centralna antena zasilająca. Płytka ma wymiary 23 mm x 47 mm, co czyni ją ćwierć długości fali dla około 1,6 GHz!
• Cewki indukcyjne w zasilaczach. Płytka zawiera układy scalone z wbudowanym zasilaniem indukcyjnym TPS84250 i EN5312 . Być może sygnał 25 MHz wraca do cewek w tych układach scalonych i wykorzystuje je jako anteny.
• Kabel Chociaż dodanie ferrytu do kabla podczas testu nie miało żadnej różnicy, co prowadzi mnie do wniosku, że jest to coś na samej płytce drukowanej.
• Coś innego? Nie mogę myśleć, co jeszcze jest wystarczająco duże, by promieniować przy tak niskich częstotliwościach.

Testowany sprzęt składa się z pary płytek PCB ułożonych razem. Dolny zawiera kryształ 25 MHz i układy, które go wykorzystują. Górny zawiera elementy zasilacza.

Pytanie o punkty bonusowe: Jak to możliwe, że w pobliżu pola jest wyraźnie dużo harmonicznych 25 MHz, ale na dalekim polu można wykryć tylko harmoniczne 100 MHz i 50 MHz?

Jest to trudny problem do omówienia w kilkuset słowach, więc będzie on krótki i będziesz musiał po prostu przeprowadzić własne badania. Ale postaram się to podsumować wystarczająco, abyś przynajmniej wiedział, co zbadać.

Musisz wiedzieć o impedancji śledzenia, zakończeniu sygnału, ścieżkach powrotnych sygnału oraz ograniczeniach obejścia / odsprzęgnięcia. Jeśli masz te absolutnie poprawne, nie będziesz mieć problemów z EMC. Osiągnięcie 100% doskonałości jest niemożliwe, ale możesz podejść znacznie bliżej niż teraz.

Najpierw spójrzmy na ścieżki powrotne sygnału ... Dla każdego sygnału musi istnieć ścieżka zwrotna. Zwykle powrót odbywa się na płaszczyźnie zasilania lub ziemi, ale może być także gdzie indziej. Na twojej płytce drukowanej powrót odbywa się w samolocie. Ścieżka powrotna prowadzi z odbiornika z powrotem do kierowcy. Obszar pętli jest fizyczną pętlą utworzoną przez sygnał plus ścieżkę powrotną. Normalnie prawa fizyki powodują, że obszar pętli jest tak mały, jak to możliwe, ale routing PCB chce to zepsuć.

Im większy obszar pętli, tym więcej problemów RF. Nie tylko wyemitujesz więcej RF, niż chcesz, ale otrzymasz także więcej RF.

Sygnały na dolnej (niebieskiej) warstwie będą chciały, aby ich ścieżka powrotna znajdowała się na sąsiedniej płaszczyźnie na następnej warstwie (cyjan) - ponieważ dzięki temu obszar pętli jest tak mały, jak to możliwe. Sygnały na górnej (czerwonej) warstwie będą miały swoją ścieżkę powrotną na warstwie złotej.

Jeśli sygnał zaczyna się na górnej warstwie, a następnie przechodzi przez warstwę dolną do dolnej, wówczas ścieżka zwrotna sygnału będzie chciała przełączyć się z warstw złotej na cyjanową w punkcie przelotowym! Jest to główna funkcja oddzielania limitów. Normalnie jedna płaszczyzna byłaby GND, a druga VCC. Ścieżka powrotu sygnału może przechodzić przez pułap odsprzęgania podczas przełączania między płaszczyznami. Dlatego często ważne jest, aby mieć ograniczenia między samolotami, nawet jeśli nie jest to oczywiście konieczne ze względów energetycznych.

Bez ograniczenia odsprzęgania między płaszczyznami ścieżka powrotna nie może obrać bardziej bezpośredniej trasy, dlatego obszar pętli powiększa się - i rosną problemy EMC.

Ale puste przestrzenie w samolotach mogą być jeszcze bardziej problematyczne. Twoja złota warstwa ma podzielone płaszczyzny i ślady sygnałów, które powodują problemy. Jeśli porównasz warstwy czerwoną i złotą, zobaczysz, jak sygnały przecinają puste przestrzenie w płaszczyznach. Za każdym razem, gdy sygnał przechodzi przez pustkę w samolocie, coś się psuje. Prąd powrotny będzie w samolocie, ale nie może podążać śladem w pustce, więc musi obrać duży objazd. Zwiększa to obszar pętli i problemy z EMC.

Możesz umieścić czapkę w pustce, dokładnie tam, gdzie krzyżują się sygnały. Ale lepszym rozwiązaniem byłoby przekierowanie rzeczy, aby tego uniknąć.

Innym sposobem na stworzenie tego samego problemu jest posiadanie kilku przelotek blisko siebie. Odstęp między przelotkami a płaszczyzną może tworzyć szczeliny w płaszczyznach. Zmniejsz prześwit lub rozłóż przelotki, aby szczelina się nie utworzyła.

Ok, więc to największy problem z twoją tablicą. Kiedy to zrozumiesz, musisz spojrzeć na zakończenie sygnału i kontrolę impedancji śladowej. Następnie musisz przyjrzeć się problemom z ekranowaniem i GND obudowy w połączeniu Ethernet (za mało informacji w Q, aby móc poprawnie komentować).

Mam nadzieję że to pomogło. Naprawdę wkurzyły mnie problemy, ale to powinno wystarczyć.

Po ponownym obróceniu mojej płyty hałas wydaje się znacznie zmniejszony. Wprowadziłem sporo zmian, więc trudno dokładnie wiedzieć, które były odpowiedzialne. Zasadniczo skopiowałem środki ostrożności EMC zastosowane w modułach Beckhoff EtherCAT

• Ferryty na wszystkich pinach zasilania ET1200 ASIC, z zaślepkami przed i po ferrycie.
• Kondensator 5pF, dwa ferryty i dławik trybu wspólnego na wychodzących liniach LVDS.
• Ulepszony układ kryształów, z pełną płaszczyzną uziemienia pod spodem. Postępowałem również zgodnie z radą Olina dotyczącą podłączenia uziemienia kryształów.

Co do tego, co naprawdę promieniuje? Trudno być pewnym, że samo ekranowanie ET1200 nie pomogło. Nie dodano też ferrytów do kabla. Jedyne, co pomogło, to zamknięcie płytki drukowanej w metalowym pudełku. Myślę, że to było coś na płytce drukowanej. Być może płaszczyzna uziemienia działała jak centralna antena zasilająca, jak sugerował Olin.

Myślę, że harmoniczne 25 MHz wskazują na problemy związane z siecią Ethernet. Nie znam rekomendacji Micrel, ale większość innych producentów zaleca minimalną odległość między phy a magnetyką, co nie jest widoczne na twojej płycie. Ponadto pod powierzchnią magnetyczną znajduje się ciągła płaszczyzna uziemienia, co również nie jest zalecane w większości miejsc.

Trudno powiedzieć na zdjęciach układu, ale wygląda na to, że ślad biegnie pod phy, a potem wyskakuje i wychodzi jako ładna antena na przeciwnej warstwie. Być może można to potwierdzić za pomocą sondowania bliskiego pola?

Rzeczy, które pojawiają się w polu bliskim i niezbyt daleko, oznaczają, moim zdaniem, brak skutecznej ścieżki sprzęgającej i anteny dla tej częstotliwości.

Czy jesteś absolutnie pewien, że wszystko ominąłeś, prawda? Miałem testera EMC, który powiedział mi, że ma jedną tablicę, która przeszła od nieprzekazania do podania, ponieważ spóźniła się na jeden bypass. Możesz także upewnić się, że czapki obejściowe działają tak, jak chcesz przy 25 MHz. Użyj analizatora widma z generatorem śledzącym i linii paskowej 50 omów z wlutowanymi na nim czapkami i sprawdź, jak naprawdę działają.

Myślę, że odpowiedź Davida Kessnera jest nadal warta rozważenia. Nie wydaje mi się, żebyśmy mieli tutaj wystarczająco dużo informacji.

Myślę, że najlepiej byłoby wynająć godzinę lub dwie z doświadczoną technologią emc (być może masz jeden wewnętrzny) i przyswoić sobie wszystko, co mówi ci o twojej desce.