Что излучается на моей печатной плате?

Недавно я провел надлежащий тест на ЭМС на моей печатной плате. Он не прошел тест и, кажется, излучает в диапазоне 300 МГц - 1 ГГц, с пиками каждые 50 МГц и небольшими пиками на 25 МГц.

Глядя на ближнее поле, вы можете ясно видеть множество гармоник 25 МГц вокруг:

Плата содержит кристалл 25 МГц, который должен быть источником сигнала, но вопрос в том, что на плате излучает? Какой может быть антенна? Кандидаты, о которых я могу думать:

• Земная плоскость действует как патч-антенна с центральным питанием. Плата имеет размер 23 x 47 мм, что составляет четверть длины волны примерно для 1,6 ГГц!
• Индукторы в источниках питания. Плата содержит интегральные ИС импульсного источника питания TPS84250 и EN5312 . Возможно, сигнал 25 МГц возвращается к катушкам индуктивности в этих микросхемах и использует их в качестве антенн.
• Кабель. Хотя добавление ферритов на кабель во время теста, похоже, не имело никакого значения, что заставляет меня поверить, что это что-то на самой печатной плате.
• Что-то другое? Я не могу думать, что еще достаточно велико, чтобы излучать на таких низких частотах.

Тестируемое оборудование состоит из пары печатных плат, сложенных вместе. Нижняя содержит кристалл 25 МГц и чипы, которые его используют. Верхний содержит компоненты блока питания.

Вопрос о бонусных баллах: как может быть так, что в ближнем поле явно много гармоник 25 МГц, но в дальнем поле можно обнаружить только гармоники 100 МГц и 50 МГц?

Это сложная проблема, которую можно охватить парой сотен слов, так что это будет кратко, и вам просто нужно провести небольшое исследование самостоятельно. Но я постараюсь обобщить это достаточно, чтобы вы хотя бы знали, что исследовать.

Вы должны знать об импедансе трассы, обрыве сигнала, путях возврата сигнала и ограничителях обхода / развязки. Если вы получили это абсолютно правильно, то у вас не будет проблем с электромагнитной совместимостью. Сделать его на 100% идеальным невозможно, но вы можете стать намного ближе, чем сейчас.

Сначала давайте рассмотрим пути возврата сигнала ... Для каждого сигнала должен быть путь возврата. Обычно возврат происходит в плоскости питания или заземления, но это может быть и где-то еще. На вашей печатной плате возврат на плоскости. Обратный путь идет от приемника обратно к водителю. Область цикла - это физическая петля, созданная сигналом плюс обратный путь. Обычно законы физики приводят к тому, что площадь контура будет как можно меньше, но при маршрутизации на печатной плате это может испортиться.

Чем больше площадь петли, тем больше у вас проблем с РЧ. Вы не только будете излучать больше RF, чем вы хотите, но вы также получите больше RF.

Сигналы на нижнем (синем) слое будут хотеть, чтобы их обратный путь находился в соседней плоскости на следующем слое (голубом) - так как это делает область петли настолько малой, насколько это возможно. Сигналы на верхнем (красном) слое будут иметь свой обратный путь на золотом слое.

Если сигнал начинается на верхнем слое, а затем проходит через переход к нижнему слою, то путь возврата сигнала будет нуждаться в переключении с золотого на голубой слои в точке прохода! Это основная функция развязки колпачков. Обычно одна плоскость будет GND, а другая - VCC. Путь возврата сигнала может проходить через разъединяющий колпачок при переключении между плоскостями. Вот почему часто важно иметь заглушки между плоскостями, даже если это явно не нужно по соображениям мощности.

Без развязки между плоскостями обратный путь не может идти по более прямому маршруту, поэтому площадь контура увеличивается в размерах, а проблемы ЭМС возрастают.

Но пустоты / расщепления в плоскостях могут быть еще более проблематичными. Ваш слой золота имеет разделенные плоскости и сигнальные следы, которые создают проблемы. Если вы сравните красный и золотой слои, вы увидите, как сигналы пересекают пустоты в плоскостях. Каждый раз, когда сигнал пересекает пустоту в самолете, что-то будет плохо. Обратный ток будет на плоскости, но он не может следовать по трассе через пустоту, поэтому он должен сделать большой обход. Это увеличивает площадь петли и проблемы с электромагнитной совместимостью.

Вы можете поместить крышку через пустоту, прямо там, где пересекаются сигналы. Но лучшим подходом было бы перенаправить вещи, чтобы избежать этого в первую очередь.

Другой способ создать ту же проблему, когда у вас есть несколько переходов, которые находятся близко друг к другу. Зазор между переходными отверстиями и плоскостью может создавать щели в плоскостях. Либо уменьшите клиренс, либо разложите переходные отверстия, чтобы слот не образовывался.

Итак, это самая большая проблема с вашей доской. Как только вы поймете это, вам придется посмотреть на завершение сигнала и контроль импеданса трассы. После этого вам нужно посмотреть на проблемы экранирования и заземления корпуса с вашим Ethernet-соединением (недостаточно информации в Q для точного комментирования).

Надеюсь, это поможет. Меня очень волнуют проблемы, но это должно помочь вам.

Повторно развернув мою доску, кажется, шум значительно уменьшился. Я сделал довольно много изменений, поэтому трудно точно знать, кто из них был ответственен. По сути, я скопировал меры предосторожности по электромагнитной совместимости, используемые в модулях Beckhoff EtherCAT

• Ферриты на всех выводах питания ASIC ET1200 с крышками до и после феррита.
• 5pF конденсатор, два феррита и синфазный дроссель на выходных линиях LVDS.
• Улучшенная планировка кристаллов, с полностью заземленной поверхностью. Я также последовал совету Олина, касающемуся подключения заземления крышек кристалла.

Что на самом деле излучает? Трудно быть уверенным, экранирование самого ET1200, похоже, не помогло. Также не добавление ферритов к кабелю. Помогло только то, что я поместил плату в металлическую коробку. Так что я думаю, что-то было на печатной плате. Возможно, наземная плоскость, действующая как патч-антенна с центральным питанием, как предположил Олин.

Я думаю, что гармоники 25 МГц указывают на проблемы, связанные с Ethernet. Я не знаком с рекомендациями Micrel, но большинство других поставщиков рекомендуют минимальное расстояние между phy и магнетизмом, которое не видно на вашей доске. Кроме того, под магнитом есть сплошная земля, что также не рекомендуется в большинстве мест.

Это довольно сложно определить с помощью изображений компоновки, но похоже, что след, который проходит под слоем, затем струится и выходит в виде хорошей антенны на противоположном слое. Это может быть подтверждено некоторыми исследованиями ближнего поля, возможно?

В моем понимании, то, что проявляется в ближнем поле, а не вдали, означает, что нет эффективного пути связи и антенны для этой частоты.

Вы абсолютно уверены, что все правильно обошли? У меня был тестер emc, который сказал мне, что у него была одна доска, которая не переходила в прохождение, потому что они пропустили одну заглушку. Вы также можете убедиться, что ваши обходные крышки работают так, как вы хотите на 25 МГц. Используйте анализатор спектра с трекинг-генератором и полосой 50 Ом с заглушками, прикрепленными к нему, и посмотрите, как они работают на самом деле.

Я думаю, что ответ Дэвида Кесснера все еще заслуживает рассмотрения. Я не чувствую, что у нас действительно есть достаточно полной информации здесь.

Я думаю, что лучше всего было бы арендовать час или два с опытным специалистом EMC (может быть, у вас есть один из них), и впитывать все, что он говорит вам о вашей доске.