PCB板完整电磁信息的获取及应用

PCB板完整电磁信息的获取及应用

 

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。

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。

全频段扫描

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×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(图1)和合成空间图(图2)。

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：
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。
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。

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×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。

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×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。

快速定位电磁干扰源

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。

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。

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。

一般的方法如下：

(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。

(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。

(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。

(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。

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。

快速定位电路故障位置

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。

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。

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。

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×7.6mm)的位置，问题就能很快确诊。

评估PCB设计质量的应用案例

一块好的PCB需要工程师精心设计，需要考虑的问题包括：

(1) 合理的层叠设计

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。

(2) 保持尽可能连续的信号线阻抗

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。

(3) 良好的电源滤波

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。

(4) 尽可能保证地平面的完整性

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。

(5) 在信号完整性和电磁兼容性中找折中

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。

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。

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：

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：

1. A板的频率点数量明显比B板少；
2. A板的大部分频率点的幅度比B板的小；
3. A板的瞬态干扰(没有被标记的频率点)比B板的少。

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。

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。

本文小结

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。