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作者: 发布时间:2017-01-03 来源: 繁体版
  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。本文介绍用EMSCAN电磁干扰扫描系统获得

  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。本文介绍用EMSCAN电磁干扰扫描系统获得PCB完整电磁信息的方法,并介绍如何利用这些信息来帮助设计和调试。leR自动化在线网

  EMSCAN具有频谱扫描功能和空间扫描功能。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。空间扫描的结果,是针对一个频率点的,是一张以颜色代表幅度的地形图,我们能实时看清PCB产生的某个频率点的动态的电磁场分布情况。leR自动化在线网

  全频段扫描leR自动化在线网

  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&TImes;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leR自动化在线网

  图2:合成空间图。图1:合成频谱图。leR自动化在线网

  (图1)和合成空间图(图2)leR自动化在线网

  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(每个空间扫描分别为不同的频率,可由你来控制不同的显示),也可以想象为一堆频谱扫描数据(每个频谱扫描来自PCB的不同物理位置,可以是一个或几个栅格)。你可以:leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  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&TImes;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。leR自动化在线网

  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&TImes;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。leR自动化在线网

  图3:任意组合查看单频/多频的合成空间图。leR自动化在线网

  快速定位电磁干扰源leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  用EMSCAN检查整机EMI问题时,一般采用由“火苗”到“火种”的追踪过程。例如,先扫描机箱或者电缆,检查干扰来自哪个部位,进一步追踪到产品内部,是哪块PCB产生的干扰,再进一步可以追踪到器件或者布线。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  一般的方法如下:leR自动化在线网

  图4:快速定位电磁干扰源。leR自动化在线网

  (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。leR自动化在线网

  (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。leR自动化在线网

  (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。leR自动化在线网

  (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。leR自动化在线网

  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,对这根电缆增加屏蔽或者滤波手段显然是不可行的,于是工程师束手无策。用EMSCAN进行上述追踪扫描后,最终在处理机板上,多化了几块钱,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。leR自动化在线网

  快速定位电路故障位置leR自动化在线网

  图5:正常板和故障板的频谱图。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  图6:在故障板的空间分布图上查找“异常频谱”的位置。leR自动化在线网

  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&TImes;7.6mm)的位置,问题就能很快确诊。leR自动化在线网

  评估PCB设计质量的应用案例leR自动化在线网

  一块好的PCB需要工程师精心设计,需要考虑的问题包括:leR自动化在线网

  (1) 合理的层叠设计leR自动化在线网

  特别是地平面和电源平面的安排,以及敏感信号线(时钟信号)及产生大量辐射的信号线(地址线和数据线)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。leR自动化在线网

  (2) 保持尽可能连续的信号线阻抗leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  (3) 良好的电源滤波leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  图7:B板频谱/空间扫描数据和A板频谱/空间扫描数据的比较。leR自动化在线网

  (4) 尽可能保证地平面的完整性leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  (5) 在信号完整性和电磁兼容性中找折中leR自动化在线网

  在保证设备功能正常(保证信号完整性)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。leR自动化在线网

  以前,我们没有简单而科学的手段来评估PCB的设计质量及PCB设计人员的设计水平。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。leR自动化在线网

  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:leR自动化在线网

  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:leR自动化在线网

  1. A板的频率点数量明显比B板少;leR自动化在线网

  2. A板的大部分频率点的幅度比B板的小;leR自动化在线网

  图8:单个频率点(462MHz)的空间分布比较。leR自动化在线网

  3. A板的瞬态干扰(没有被标记的频率点)比B板的少。leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网

  大量的测试案例证明,这种利用PCB产生的完整电磁场信息来评估PCB设计质量的方法,是完全合理的。我们能从PCB设计质量看出设计人员的设计水平,同时也能为设计人员不断提高设计水平,提供最直观的指导。leR自动化在线网

  本文小结leR自动化在线网

  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。leR自动化在线网


利用EMSCAN电磁干扰扫描系统获得PCB完整电磁信息的方法
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