电磁场高速自动扫描技术在高速PCB 设计中的应用

jimmychen

电磁兼容测试对即将进入市场的电子产品是非常重要的一项测试，但以往的测试只能得出能否通过的结果，不能提供更多有用信息。本文介绍利用高速自动扫描技术测量电磁辐射，检测PCB 板上电磁场的变化情况，使工程技术人员在进行电磁兼容性标准测试前就能发现相关问题并及时予以纠正。
随着当今电子产品主频提高、布线密度增加以及大量BGA 封装器件和高速逻辑器件的使用，设计人员不得不通过增加PCB 板的层数来减少信号与信号间的相互影响。同时在大量便携式终端设备中，为了降低系统功耗必须采用多电平方案，而这些设备还有模拟或者RF 电路，需要采用多种地，又必须使用电源平面和地平面分割的技术。因此PCB 板上的信号之间存在大量辐射干扰，造成设备功能故障或者工作不稳定，而且所有信号对外形成很强电磁辐射，使得EMC 测试也成为产品上市的一个障碍。目前大部分硬件工程师还只是凭经验来设计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，他们也没有有效的手段去查找问题的原因。要想验证产品的EMC 特性，只有把产品拿到标准电磁兼容测量室去测量，由于这种测量只能测产品对外辐射情况，就算没有通过也不能为解决问题提供有用的信息，因此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，而且可能耽误产品的上市时间。当然，现在有很多高速PCB 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 模型就有很多器件没有模型或者模型不准确。要精确仿真EMC 问题，就必须用SPICE 模型，但目前几乎所有的ASIC 都不能提供SPICE 模型，而如果没有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，仿真工具往往要在精度和仿真时间上进行折中，精度相对较高的，需要的算时间很长，而仿真速度快的工具，其精度又很低。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。但信号回流路径由信号线布线、PCB 电源和地分布结构以及电源供电点、去耦电容和器件放置位置和数量等多种因素所决定，故而对复杂系统的回流路径从理论上进行判定非常困难。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，从而可帮助解决信号完整性问题，那么有没有设备能看到辐射的“图形”以及电
路板上的回流呢？

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电磁场高速扫描测量技术
在各种电磁辐射测量方法中，有一种近场扫描测量方法能解决这个问题，该方法基于这样的原理设计，即电磁辐射是被测设备(DUT)上的高频电流回路形成的。如加拿大EMSCAN 公司的电磁辐射扫描系统Emscan 就是根据这个原理制成的，它采用H 场阵列探头(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，系统可提供RF 电流在PCB 上空间分布的视觉图像(图1)。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 问题的区域并采取相应措施。近场扫描原理Emscan 的测量主要在活性近场区域(r<<λ/2π)进行，DUT 上发出的辐射信号大部分被耦合到磁场探头上，少量能量扩散到自由空间。磁场探头耦合了近H 场的磁通线以及PCB 上的电流，另外它也获取一些近E 场的微量成分。大电流低电压电流源主要与磁场相关，而高电压小电流电压源则主要与电场相关，在PCB 上，纯电场或者纯磁场都是很少见的。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变化，此外数字电路的趋势也是使用更低电压差的逻辑器件，同时活性近场区域内的磁场波阻抗远小于电场波阻抗。综
合这些因素，大部分PCB 活性近场区域能量都包含在近磁场中，因此Emscan 扫描系统采用的磁场环适合于这些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，因此反馈网络可感应各个环的响应，每个环相对参考源的响应都被测量出来并考虑为滤波转移函数。为了保证测量的线性度，Emscan 测量的是这个转移函数的倒数。
由于采用了阵列天线和电子自动切换天线技术，因此测量速度大大加快，比手工单探头测量方案快几千倍，也比自动单探头测量方案快几百倍，能够快速有效判断电路修改前后的效果(图2)。快速扫描技术及其先进幅度保持扫描技术和同步扫描技术使该系统能有效捕捉瞬态事件，同时它采用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。
评估PCB 近场辐射干扰的测量方法
PCB 辐射干扰情况的检查可分几步进行。首先确定需要扫描的区域，然后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，比较大的频率点可利用空间扫描在扫描区域内作进一步检查，这样可以定位干扰源以及关键电路路径。被测板必须尽可能靠近扫描器板，因为随着距离增加，接收信噪比会降低，而且还会有“分离”效应。实际测量中，这个距离应该小于1.5cm。我们可以看到，对元件面的测量有时候可能会因为元器件的高度而使测量出现问题，因此元器件的高度必须要考虑，以对测量的电压电平进行校正。在基本检查中，需考

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虑分离距离校正因子。
我们可以很快得到测量结果，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。除了得到电压电平外，下列信息也非常重要：干扰产生点、干扰分布、覆盖大区域的干扰传导路径、干扰被限制在PCB 上的狭窄区域以及内部结构或临近I/O 模块间的耦合等，还可以看到数字电路和模拟电路分开的效果。上述测量可作为PCB 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，我们完全可以在产品开发早期对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。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。事实表明，干扰信号的频率可能会有几百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，有时不得不增加滤波等手段，这意味着会增加产品的成本。从这种角度上看，寻找一种能优化所有电路和元器件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就能够正确评估产品的抗干扰性能。改进后的方法如下：把PCB 放在扫描器板上进行频谱扫描以决定PCB 的干扰频率，然后把该频率正弦波干扰信号用夹子或者适当耦合设备(如平衡线上用的T-LISN)耦合到I/O 线或导体上，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0dBm(取决于耦合器件和PCB 的类型)的发生器，执行与所加干扰信号一致的频率进行空间扫描。干扰信号从耦合点到PCB 内的分布情况就能非常清楚地在空间扫描图形上看出来，然后可以根据下面一些原则对空间扫描结果进行解释，包括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I/O导体耦合情况以及PCB 接地层或者区域的有效性等。
经济效益
电磁场高速扫描技术在PCB 设计和调试中的应用，能帮助及早发现问题，及时采取有效措施消除或抑制系统内部和对外电磁干扰，确保产品EMC 测试一次通过，从而加快产品设计进程，提高产品设计质量，节省产品开发费用，减少产品的售后服务工作量。平均而言，一个新产品设计需要2 至4 次去EMC 场地测试，每次去EMC 场地测试都需要等3～4 周时间。如果产品没有通过测试，整个过程将非常长，而且还不得不重复进行，直到通过测试。电磁干扰扫描技术能让工程师在“设计过程中”考虑产品电磁兼容性，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。另外替代元件的确定对于确保持续生产和成本控制也是非常重要的，很多情况下，替代元件与首选元件的电磁辐射特性不一致，电磁扫描技术提供了一种快速
有效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。