本文主要對晶振對輻射發(fā)射的影響進(jìn)行簡要分析,并總結(jié)晶振的EMC設(shè)計要求。
Part 1
現(xiàn)象描述
某產(chǎn)品,系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊設(shè)計,并采用背板結(jié)構(gòu),如下圖:
產(chǎn)品中有很多子模塊,模塊和背板之間通過相對應(yīng)的連接器連接。背板主要起到連接各個子模塊,充當(dāng)子模塊之間通信的橋梁。
每個模塊都單獨(dú)的屏蔽設(shè)計, 背板也進(jìn)行了屏蔽設(shè)計? 但是在進(jìn)行輻射發(fā)射測試時, 發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射測試超標(biāo)。超標(biāo)頻點(diǎn)是350MHz, 測試頻譜圖如圖所示:
圖中粗折線為標(biāo)準(zhǔn)限值曲線,用近場探頭進(jìn)行定位測試,最終確認(rèn)是其中一模塊與背板之間的接插處輻射泄漏導(dǎo)致, 該頻率點(diǎn)的源頭是模塊內(nèi)部PCB中的50MHz(其7次諧波為350MHz)晶振。
既然子模塊和背板都有一定的屏蔽設(shè)計,那為什么還會有輻射泄露出來呢?下面我們進(jìn)行詳細(xì)分析。
Part 2
原因分析
據(jù)了解,該產(chǎn)品由于工作在室外,所以需要進(jìn)行防水處理,本產(chǎn)品采用橡膠墊圈將子模塊和背板之間的連接處進(jìn)行密封。
由于防水墊圈是非導(dǎo)電的, 因此存在屏蔽的 “縫隙”,這將很可能成為輻射的漏洞?
拆下子模塊后, 給模塊單獨(dú)上電, 用近場探頭對其進(jìn)行測試, 發(fā)現(xiàn)該模塊與背板的連接器處有350MHz頻點(diǎn)的輻射,這和我們測試的輻射發(fā)射超標(biāo)點(diǎn)相吻合,因此證明了該輻射頻點(diǎn)來自于和背板相連的連接器處?
上圖為子模塊的PCB布局圖,圖中無阻焊層主要用于焊接屏蔽罩,可以看到,連接器在屏蔽罩內(nèi)部,晶振位于屏蔽罩外部。
所以晶振外殼不可能直接通過空間輻射影響連接器,因?yàn)檩椛渎窂揭呀?jīng)被屏蔽罩隔絕, 唯一輻射的可能是連接器中的信號線, 很有可能耦合到了來自晶振或時鐘信號線的噪聲, 這些信號線相當(dāng)于成為被噪聲驅(qū)動的輻射天線?
從該 PCB 的布局及布線看, 主要存在如下問題:
晶振下表層PCB未做局部地平面敷銅處理。
完整的地平面可以為晶振及相關(guān)電路內(nèi)部產(chǎn)生的共模RF電流提供通路,從而使RF發(fā)射最小。
傳輸?shù)竭B接器的信號線很多從50MHz晶振底下穿過。
這不僅會破壞晶振下方完整的地平面,而且必然會將50MHz晶振產(chǎn)生的噪聲通過容性耦合的方式耦合到穿過它下面的信號線,從而使得這些信號線帶有共模電壓噪聲,而這些信號線又延伸出了PCB上的屏蔽體,這樣會將噪聲帶出屏蔽體。
這是一種典型的共模輻射模型,其原理如下所示:
晶振的位置離接口太近。
可見,形成輻射的兩個必要條件已經(jīng)形成了,即驅(qū)動源和天線,輻射自然也就產(chǎn)生。
與接口連接的信號線與晶振之間耦合形成了驅(qū)動電壓。
與接口相連的信號線或PCB地層成為了被驅(qū)動的輻射天線。
Part 3
處理措施
為解決以上的輻射問題, 通過對上面輻射的原因分析,可以采用以下幾種方法:
晶振底下的PCB層做敷銅處理,并且晶振底下不能有其它信號穿過,從而保證晶振底下的地平面完整,并且和其它層的地平面通過過孔連通。
晶振底下保證地平面完整的原因是:
本產(chǎn)品采用多層板技術(shù),擁有完整地平面的信號本身和回流信號方向相反、大小相等,可以很好地相互抵消彼此形成的磁場。
但是,當(dāng)?shù)仄矫娌煌暾麜r,回流路徑中的電流與信號本身的電流不能相互抵消(實(shí)際上這種電流不平衡是不可避免的),必然產(chǎn)生一小部分大小相等、 方向相同的共模電流。
尤其是晶振這樣的高噪聲器件。共模電流會形成共模電壓,耦合到參考平面下方的信號線上, 使之成為一個輻射天線,將干擾信號輻射出去。
如上圖所示的是多層板外層上的信號線共模輻射等效模型。
從高頻角度分析,參考平面相當(dāng)于回流導(dǎo)體,可能有高頻交流電壓。
差模電流IDM在信號線下面的參考平面上會產(chǎn)生一個共模電壓降UCM,UCM激勵與之連接的信號線,從而形成輻射 。
將晶振盡量往板內(nèi)移, 并保持其它信號線離晶振有300mil以上的距離。
改進(jìn)原來屏蔽的缺陷,將所有與輻射相關(guān)的部分(包括天線和驅(qū)動源)進(jìn)行屏蔽, 即將模塊與背板之間的防水墊圈改成導(dǎo)電的密封圈,實(shí)現(xiàn)整機(jī)屏蔽的完整性。
取消輻射的天線。不過這個措施在本產(chǎn)品中明顯很難實(shí)現(xiàn),除非改變產(chǎn)品的架構(gòu)。
通過以上處理,用近場探頭在連接器附近再進(jìn)行測試, 發(fā)現(xiàn)350MHz頻點(diǎn)的輻射減小10dB以上,從而滿足了相關(guān)輻射發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)限值。
Part 4
思考和啟示
經(jīng)過上面的分析,我們都可以得到下面的結(jié)論:
防水與屏蔽要統(tǒng)一,不要為了防水而忽視了屏蔽的完整性。
晶振底下不能布信號線, 特別是與對外接口直接相連的信號。
在晶振和時鐘電路下面的地平面要保持完整性,這樣可以為晶振及相關(guān)電路內(nèi)部產(chǎn)生的共模RF電流提供通路, 從而使RF發(fā)射最小。
晶振不能距離板邊太近、可以考慮1cm以上,晶振的外殼必須接地,否則易導(dǎo)致晶振輻射超標(biāo)。
除了以上要注意的事項,晶振電路在設(shè)計時還要考慮以下幾點(diǎn):
耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳,按電源流入方向,依容值從大到小順序擺放,晶振位置盡量靠近MCU。
走線應(yīng)盡量短,線寬大一些,保證至少在8mil以上,以減少噪聲干擾及分布電容對晶振的影響。
晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,靠近晶振擺放整齊緊湊。
盡可能保證晶振周圍沒有其它元器件,防止器件之間的相互干擾,晶振周圍300mil內(nèi)禁止布線。
晶振電源要去耦,可以加磁珠和去耦電容,有條件的可以用LDO供電。
晶振輸出串電阻,可以是幾十歐姆,另外加22或者33PF的電容,電容到地路徑要短。
審核編輯:彭菁
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原文標(biāo)題:EMC測試案例分析——晶振對輻射發(fā)射的影響
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