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电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用
www.i-tech.com.cn  2013-11-20  上海泰齐科技网
一、 引言

    随着主频的提高,布线密度的增加,大量的BGA封装器件以及高速逻辑器件的使用,工程师不得不通过增加PCB板的层数来减少信号与信号间的相互影响。同时大量的便携式终端设备中,为了降低系统功耗,必须采用多电平方案,同时这些设备还有模拟或者RF电路,需要采用多种地。出于系统成本考虑,工程师们还必须尽量减少PCB板的层数,因此必须采用电源平面和地平面的分割技术。由此,PCB板中信号间存在着大量的辐射干扰,造成设备功能故障或者工作不稳定。同时所有信号对外形成很大的电磁辐射,使得产品通过EMC测试成为产品上市的一个障碍。

    目前大部分硬件工程师还是只凭经验来设计PCB。在调试过程中,很多需要观测的信号线或者芯片引脚被埋在PCB中间层,无法使用示波器等工具去探测。如果产品不能通过功能测试,他们没有有效的手段去查找问题的原因。如果要验证产品的EMC特性,他们只有把产品拿到标准电磁兼容测量室去测量。如果产品没有通过测试,由于这种测量只能测出产品对外辐射的情况,不能为解决问题提供有用的信息,因而工程师只能凭经验去修改PCB,并重复试验。这种试验方法非常昂贵,而且可能会耽误产品的上市时间。

    当然,现在有很多高速PCB的分析和仿真设计工具,可以帮助工程师解决一些问题,可是目前在器件模型上还存在很多限制,例如能解决信号完整性(SI)仿真的IBIS模型,目前有很多器件没有模型或者模型不准确。要精确仿真EMC问题,就必须要用SPICE模型,目前几乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型。如果没有SPICE模型,EMC仿真是无法把器件本身的辐射考虑在内的(器件的辐射比传输线的辐射大得多)。另外,仿真工具往往在精度和仿真时间上进行折中,精度相对较高的,需要的计算时间很长,而仿真速度快的工具,其精度很低。因此,用这些工具进行仿真,不能完全解决高速PCB设计中的相互干扰问题。

    我们知道,在多层PCB中,高频信号的回流路径应该在该信号线层临近的参考地平面(电源层或者地层)上,这样的回流和阻抗最小。但是实际的地层或者电源层中会有分割和镂空,从而改变回流路径,导致回流面积的变大,引起电磁辐射和地弹噪声。如果工程师能清楚电流路径的话,就能避免大的回流路径,从而有效控制电磁辐射。但是,信号的回流路径是由信号线的布线、PCB的电源和地的分布结构、以及电源供电点、去耦电容和器件的放置位置和数量等多种因素所决定,因而对复杂系统的回流路径的理论判定是非常困难的。

    所以,在设计阶段排除辐射噪声问题非常关键。我们用示波器能看到信号的波形,从而解决其信号完整性问题。有没有设备能看到辐射的"图形"以及电路板上的回流呢?

二、 电磁场高速扫描测量技术

    在各种电磁辐射的测量方法中,有一种紧密接近测量方法最能解决工程师们的问题,这种方法是基于这样的原理设计的:电磁辐射是被测设备(DUT--Device Under Test)上的高频电流回路形成的。加拿大EMSCAN公司根据这个原理以及工程师们的需求,提供了具有专利技术的电磁辐射扫描系统Emscan。Emscan扫描系统采用了H场的阵列探头(有32×40=1280个探头)来探测DUT上的电流。在测量期间,DUT直接放在扫描器的上面,这些探头可以检测由于高频电流发生变化而引起的电磁场的变化。系统提供了RF电流在PCB上空间分布的非常有用的视觉图像。

    Emscan电磁兼容扫描系统已经在通信、汽车、办公电器以及消费电子等工业领域得到广泛应用。通过该系统提供的电流密度图,工程师在进行电磁兼容性标准测试前就能发现有EMI问题的区域并采取措施。

图一、 Emscan电磁扫描系统的组成

图二、 Emscan的测量结果显示

三、 近场扫描原理

    Emscan的测量主要是在活性近场区域(r<< )进行的。DUT上发出的辐射信号大部分被被耦合到磁场探头上,少量的能量被扩散到自由空间。磁场探头耦合了近H-场的磁通线以及PCB上的电流;它也获取一些近E-场的微量成分。

    大电流低电压的源(电流源)主要与磁场关联,而高电压小电流的源(电压源)则主要与电场关联。在PCB上,纯电场或者纯磁场都是很少有的。RF和微波电路中,电路的输入阻抗以及连接用的微带或者微带线,其阻抗都被设计为50欧姆。这种低阻抗设计使得这些元器件产生大电流和低电压的变化。数字电路的趋势也是将使用更低电压差的逻辑器件。另外,活性近场区域内的磁场的波阻抗远小于电场的波阻抗。综合这些因素,大部分PCB的活性近场区域中的能量被包含在近磁场中。因此EMSCAN扫描系统采用的磁场环更适合于这些PCB的近场诊断。

    所有的环是一样的,然而它们在反馈网络中的位置不同;因此反馈网络感应各个环的响应。每个环相对参考源的响应被测量并被考虑为滤波转移函数。为了保证测量的线性性,Emscan测量的是这个转移函数的倒数。

    由于Emscan采用了阵列天线和电子自动切换天线的技术,大大加快了其测量速度,它比手工的单探头测量方案快几千倍,也比自动的单探头测量方案快几百倍。能快速有效地判断电路修改前后的效果,快速的扫描技术以及其先进的幅度保持扫描技术和同步扫描技术使得该系统能有效捕捉瞬态事件。同时,它还采用了具有专利技术的能提升频谱分析仪测量精度的技术,提高了测量的精确性和可重复性。

四、 评估PCB近场辐射干扰的测量方法

    PCB辐射干扰情况的检查分下述几步:

    确定需要扫描的区域(扫描区域)。选择能充分采样扫描区域的探头(栅格7.5mm), 在100kHz-3GHz的频率范围内进行频谱扫描,并存储每个频率点的最大电平。注意,比较大的频率点将会利用空间扫描在扫描区域内进行进一步的检查,这样可以定位干扰源以及关键的电路路径。

    被测板必须尽可能靠近扫描器板,因为随着距离的增加,接收的信噪比会降低,而且还会有"分离"效应。实际测量中,这个距离应该小于1.5cm。我们可以看出,对元件面的测量有时候可能会因为元器件的高度问题而使测量有问题。在任何情况下,元器件的高度应该被考虑,以对测量的电压电平进行校正。在基本检查中,会考虑分离距离的校正因子。

    我们可以很快地得到成功的测量结果,但是这些结果不能评判产品是否符合EMC特性,因为它测量的值是PCB板上的高频电流产生的电磁近场。而标准EMC测试是要求在开阔场地(OATS)或者在暗室进行的,距离为3米(即远场)。

    尽管Emscan的测量不能取代标准EMC测试,但是实践证明,它确实有很多用途:通过对测量结果的分析,可以得出很多结论以利于产品的后续开发。除了测量得到的电压电平外,下列信息也非常重要:干扰的产生点,干扰的分布,覆盖大区域的干扰传导路径,干扰被限制在PCB的一个狭窄的区域,或者内部结构或临近I/O模块间的耦合等;以及数字电路和模拟电路分开的效果。

    上述测量能作为PCB的设计质量评估的一个标准。进一步来说,如果我们已经知道了一个类似的PCB的EMC特性,我们完全能在产品开发早期对EMC特性进行比较可靠的评估,例如是否应该采用屏蔽手段等。

    特别值得一提的是,电磁场的高速扫描系统还能揭示瞬态EMI问题,瞬态EMI问题在电磁兼容性测量中往往不会被检测到,但是它们会影响产品的性能和可靠性。

五、 PCB抗干扰性能的评估

    在实际使用中,所有电子设备都会受到电磁场的干扰。如果一个设备不能满足抗干扰的要求,也不进行屏蔽,那么该设备的性能就会受电磁干扰的影响。事实已经表明,干扰信号的频率可以会有几百MHz,这些干扰主要通过连接的导体进行耦合,因此,I/O模块的抗干扰设计非常重要。为了增强产品的抗干扰性能,我们不得不增加滤波等手段,这意味着增加产品的成本。从这种角度上看,寻找一种能优化电路和元器件所有的解决方案非常重要。通过适当修改上面提到的测量方法,在产品开发和测试阶段我们能做到正确评估产品的抗干扰性能的评价。这种方法如下:

    把PCB放在扫描器板上。进行频谱扫描以决定PCB的干扰频率。然后把该频率的正弦波干扰信号用夹子或者适当的耦合设备(如在平衡线上用的T-LISN)耦合到I/O线,或者导体上。采用步距10MHz,频率范围能满足10MHz到150MHz(避免与PCB板的干扰频率重叠),功率-20到0 dBm(取决于耦合器件和PCB的类型)的发生器。执行与所加的干扰信号一致的频率进行空间扫描。干扰信号从被耦合点到PCB内的分布情况就能非常清楚地在空间扫描得到的图形上看出来。然后可以根据下列原则对空间扫描结果进行解释:

    PCB上哪些区域分布有耦合上去的干扰信号。插入滤波器的有效性(衰减干扰信号)。临近的I/O导体的耦合情况。PCB接地层或者区域的有效性。

    EMSCAN测量方法与传统的方法相比,其最大的优点是它能快速定位干扰源,或者定位干扰的传播路径,此后,重新设计就简单了。

六、 电磁扫描技术能带来巨大的经济效益

    电磁场的高速扫描技术在PCB设计和调试中的应用,能帮助你及早发现问题,及时采取有效措施消除或抑制系统内部的和对外的电磁干扰,确保产品EMC测试的一次通过,从而加快产品的设计进程,提高产品的设计质量,节省产品开发费用,减少产品的售后服务。

    平均而言,一个新产品的设计需要2至4次去EMC场地测试。每次去EMC场地测试都需要等待3-4周的时间。如果产品没有通过测试,整个过程将会非常长,你不得不重复进行,直到通过测试。电磁干扰扫描技术能让工程师在"设计中"考虑产品的电磁兼容性,从而缩短产品开发时间和减少去EMC场地测试的次数。典型情况下可以把产品的上市时间提前3至12周或者更多。

    一个广为人知的"产品生命期收益"定律指出,如果你能比对手提前3-12周上市,这3-12周内的收益是产品整个生命期内收益最高的时间。我们在这里假设你的产品比竞争对手提前6周上市,并假设这6周的收益按平均收益计算,即:6周,除以产品的有效生命期(以周为单位),乘上产品生命期内的总的利润。用这个公式来计算,一个生命期为36个月的产品将获得3.8%的额外收益。如果你的产品或者系统的总利润达到一百万美金,你就值得为这个产品购买Emscan了。这里没有把节省的人力费用以及多次修改中的材料费用计算在内。

    电磁场高速扫描技术还能通过对设计修改的立即反馈,保证无需使用多余元件,从而降低产品成本。

    替代元件的确定对于确保持续生产和成本控制都是非常重要的。很多情况下,替代元件与首选元件的电磁辐射特性不一致。高速电磁扫描技术提供了一种快速有效的评估替代元件可用性的手段,能保证在不影响产品电磁完整性的前提下降低产品的生产成本。

    参考文献:

    【1】D. McKinnon, "The Emscan Automated Multi Probe Electromagnetic Scanning System versus Single Hand Held Probe Solution" 2002

    【2】A. Badawi & G. Ramsay, "Current Mapping on PCB Structures", Antem 2000, Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetic, 2000

原作者:不详

来 源:北京奥吉通科技有限公司仪器与测试部

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