PCB, 灌孔(Via), 屏蔽, 时钟讯号, 与接地对天线

1、Radiation from PCB and Via由1-3可知，电流流经金属导体，便会产生寄生电感，而由于现今数字IC的切换速度越来越快，因此在电压切换瞬间所产生的瞬时电流，也越来越大，如下图:这使得数字IC的切换噪声，也越来越大。虽然由天线理论可知，IC本体因为尺寸过小，所以其辐射效率很差5，换言之，IC本体很难将其噪声有效辐射出去，但由下图可知，PCB本体可以充当天线，进而将数字IC的切换噪声，有效辐射出去，若干扰到天线本身，则灵敏度就会变差6，因此需针对此议题，做一番研究与探讨。下式是共模噪声的辐射场强10-12 :f是频率，L是其导体长度，r是辐射源与Receptor的距离，IC是电

2、流强度。由上式可知，当频率越高，其辐射强度就越大，虽然前述已知，IC本体不会是个有效辐射体，但由于现今的PCB，几乎都是多层板，亦即层与层之间的距离越来越薄，因此层与层之间，会形成导波管结构，如此便构成了有效的辐射体，如下图其等效电路如下4 :而我们由4可发现，若我们将PCB本体当天线来分析，会发现Decoupling电容的数量越多，其辐射效率越低，如下图 :而由辐射干扰的角度来看，也确实，Decoupling电容的数量越多，其辐射干扰越低，如下图 :因此我们得到一个结论，Decoupling电容确实可抑制PCB本体的辐射能力，数量越多，抑制能力越好。而若以阻抗观点分析，发现主要是因为Deco

3、upling电容，会使PCB整体阻抗的电容性增强，以至于阻抗下降，如下式 :而Decoupling电容数量越多，其阻抗就下降越多，由实际量测结果也证实这点，如下图4 :而我们由傅立叶变换可知，若频率越高，则电流变化越快。若依照电磁波理论，亦即越容易产生辐射，如下图9 :由9可知，Via也是个有效的辐射源，由前述已知，若整体阻抗越大，则辐射效率越好，因此倘若Via的孔径越细，或长度越长，那么辐射效率就越好。而由仿真结果看来，发现其Via处的电流强度，也确实最强9。因此一些高速数字讯号，尽可能不要打Via穿层。而由天线互易定理可知，一个良好的发射天线，也会是一个良好的接收天线，换言之，Via会很容

4、易接收外来辐射噪声。所以讯号Via，除了周遭要用GND包好外，也必须要多打GND Via。XTAL Oscillator由10-11可知，CLK讯号，其倍频会干扰接收讯号，导致灵敏度下降，以MTK平台为例，最常使用26 MHz的CLK，而在该案例中，一些Channel被干扰，其频率也确实是26 MHz的倍频，如下图 :因此我们在下图C607跟C608，摆放Bypass电容，以滤除噪声。其量测结果如下 :由上图可发现，加了12 pF的落地电容，灵敏度反而比原来还差。但12 pF落地电容的频率响应如下图 :我们可以发现，12 pF落地电容，其实在上述这些Channel，都有抑制噪声的能力，但实际上

5、量测结果却不如预期，这主要是因为，在做仿真时，固然可以将组件本身的寄生效应考虑进来，如下图 :但实际上PCB走线本身也会有寄生效应，但这部份仿真时无法考虑进来，如下图 :因此导致量测结果却不如预期，所以仍需依实测结果，对落地电容值做微调。另外由(12 pF + 33pF)的量测结果发现，在DCS 1800的Ch716，其灵敏度特别差，比单一颗12 pF，单一颗33 pF，甚至是原本什么都不加的情况还差。这主要牵扯到反谐振3-5，由12 pF 跟33 pF的落地电容频率响应可知，在1795 MHz之处，会有其交叉点，因此(12 pF + 33pF) 的落地电容频率响应，在1795 MHz会产生反

6、谐振，而DCS 1800的Ch716，其频率为1846 MHz，正好很接近反谐振之处，因此若要同时使用二个甚至多个落地电容时，需考虑到反谐振的因素。在1-3中，我们知道串联磁珠或电感，也是抑制噪声的方法之一，然而由量测结果发现，在R605跟R607摆放磁珠后，其灵敏度却反而变差，如下图 :由1-3可知，磁珠与电感抑制噪声的原理不同，电感是利用其高感抗，将噪声反射回去，而磁珠是利用其电阻性，将噪声转换成热能，如下图 :换言之，在抑制噪声的效能上，必须将磁珠以电阻看待。同时由1-3可知，CLK讯号需以电阻做阻抗匹配，否则会因阻抗不匹配而使波形失真，以及产生辐射干扰，如下图 :因此终端电阻值，就显得

7、很重要。因此R605跟R607之所以摆放磁珠后，其灵敏度却反而变差，有可能是因为该磁珠的电阻值，使CLK讯号的阻抗偏离，产生阻抗不匹配，以至噪声反而变大，因此如前述的落地电容一般，仍需依实测结果，对磁珠值做微调。Shielding and GNDing另外由13可知，IC本体因为尺寸过小，所以其辐射效率很差，换言之，IC本体很难将其噪声有效辐射出去，但由下图可知，PCB本体可以充当天线，进而将噪声有效辐射出去，若干扰到天线本身，则灵敏度就会变差，如下图 :更何况由下图可知，其DDR与CPU的IC本体都不算小，换言之，其IC本体与周遭的PCB，都有将高速噪声辐射出去的能力。甚至由13可知，倘若有

8、高速数字讯号的灌孔，这些灌孔也会产生辐射干扰。因此在Shielding Cover开孔处，贴上导电泡绵，或是贴上铜箔甚至直接将Shielding Cover开孔处改为闭合，都有助于屏蔽噪声，避免产生辐射干扰，使灵敏度下降。而SD Card也是高速噪声来源，因此倘若Shielding Frame吃锡不良，同样会使其高速讯号泄漏辐射出去，干扰天线造成灵敏度下降。此时可能需透过微调工厂SMT制程的方式，来加强Shielding Frame的吃锡。而LCM的FPC Connector，也是常见噪声来源之一。当灵敏度劣化时，可仿照10的实验手法，先导电贴布贴在FPC Connector，除了屏蔽作用外，

9、也可使其辐射噪声都透过导电贴布流到GND，而不会去干扰天线的接收讯号，使其灵敏度下降。如果该实验手法能使灵敏度有所改善，那证明噪声来源是来自FPC Connector，再针对该处及相关电路，导入解决方案即可。当然PCI-E的Connector，也是常见噪声来源之一，因此用铜箔加以屏蔽，并使其辐射噪声都透过铜箔流到GND，也有助于避免辐射干扰使灵敏度下降。而以导电贴布，加强FPC的接地，也有助于辐射干扰的抑制。或是LCM上黏贴两片双面导电胶，加强接地，也能改善灵敏度。而由10-13可知，共模噪声的辐射场强如下式 :f是频率，L是其导体长度，r是辐射源与Receptor的距离，IC是电流强度。虽然

10、理论上电源为直流，频率为零，依据上式，是不会有辐射场强，但实际上只要有负载，电压就会有Ripple，就不会是纯DC，频率不会为零，而PCB走线本身会有等效电阻，换言之，任何一条电源走线，都可能会引起辐射干扰，加上电源走线的电流强度很大，因此是很强的辐射干扰源，倘若走线在表层，且长度又过长，那么其辐射干扰会更加强大，如下图 :因此一般而言，电源走线最好走内层，倘若不得已要走表层，至少不要走板边，长度不要过长，倘若还是无可避免，可以在表层的电源走在线贴铜箔，屏蔽其辐射干扰。然而该注意的是，贴上铜箔前，需先将PCB的表层绝缘漆，一部分用小刀刮开，使其铺铜能露出，这样才能将电源走线产生的辐射干扰，都流

11、到GND，以达到抑制辐射噪声的效果。因为前述已知，任何金属没接地，就是天线，且尺寸越大，辐射效率越好，换言之，倘若没让铜箔做上述接地的动作，则该铜箔反而会是个辐射效率佳的天线，此时不但无法抑制辐射干扰，反而可能使其更加恶化，因此需特别注意。但有一点需特别注意，这方法只能适用于不需阻抗控制的走线，如电源走线或控制讯号，若需作阻抗控制的高速讯号线，如MIPI, USB, PCIE等，或是RF走线，则不宜用该方法，因为寄生效应会使阻抗偏离。High Speed Digital Signal由16可知，由于高速讯号的波形，会趋近于方波，因此在频域上，会有大量的辐射噪声，如下图 :而这些高速噪声，在PC

12、B会有频率响应，亦即不同频率点，其噪声的强度也有所不同16。CLK讯号，其倍频会干扰接收讯号，导致灵敏度下降，而前述已知，其CLK讯号所产生的噪声，在PCB会有频率响应，因此也可透过改变CLK讯号的频率，来缓和该问题，下图是将LCM的CLK，由43 MHz改成54 MHz的量测比较 :由上图可以看到，改为54 MHz后，原本Fail的Channel变Pass了，但此时改为54 MHz倍频的Channel Fail了，但很重要的一点是，相较于43 MHz倍频的Channel，54 MHz倍频的Channel，其劣化程度比较小，亦即缓和了该问题。 所以我们可以透过改变CLK频率的方式，先将问题缓和

13、，那么接下来要解噪声就比较好解。而因为Camera跟FPC，都是常见的辐射干扰来源，因此Placement时，尽可能远离天线，避免其噪声直接耦合到天线，使灵敏度下降。而也因为Camera是常见的辐射噪声来源，因此可在其Camera电源VREG，以及MCLK上，摆放Bypass电容，由下图可知，在这两处摆放了39 pF后，其灵敏度以改善许多。而上图的MCLK，因为有C1820跟C1821两个落地电容可摆放，而由下图也可看出，摆放两个39 pF，其噪声的抑制能力更好，因此可同时摆放两个39 pF，来加强噪声的抑制能力。当然，原则上可在R1811处，再摆放磁珠，进一步加强噪声抑制能力，但前述已知，磁

14、珠的电阻值，可能会使CLK讯号的阻抗偏离，产生阻抗不匹配，以至噪声反而变大，因此需特别注意。还有一点需注意的是，C1820跟C1821，需各别独立下Main GND，不可在表层共地，否则不但不会使噪声流到Main GND，反而会使其又窜回MCLK上，导致完全无噪声抑制能力。或是在Camera的差分MIPI讯号上，添加EMI Filter，来抑制共模噪声15。当然由10-11可知，其EMI Filter的电阻，有可能会使CLK讯号的阻抗偏离，产生阻抗不匹配，以至噪声反而变大，因此需特别注意。至于EMI Filter的挑选事项，详情可参照1-3，在此就不赘述。另外，由于天线附近，常会摆放LED，其

15、控制讯号产生的的噪声，也可能会耦合到天线的接收讯号，导致灵敏度下降。因此在Placement时，同前述的Camera跟FPC，尽可能远离天线。或是在其控制讯号上，摆放落地电容，以达到抑制噪声之效，进而改善灵敏度。而由14可知，Qualcomm平台的GP_Syn，GP_Clk (57.6 MHz)，N-pler (57.6 MHz)，也是常见的噪声来源，因此需特加注意。Reference1 上集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库2 中集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库3 下集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库4

16、 EMI Prediction Methodology for PCB Excited by. Switching Noise of IC5 Fundamental Dimension Limits of Antennas6 GSM射频接收机灵敏度之解析与研究, 百度文库7 Proper Stack-Up in a Multilayer PCB to Reduce Noise Coupling and ImproveEMI8 Field and Wave Electromagnetics,9 Radiation from Edge Effects in Printed Circuit Boards (PCBs)10 手机耦合灵敏度劣化(De-sense)之一些原因分析与改善对策, 百度文库11 高速数字讯号对于手持产品天线灵敏度之影响与探讨, 百度文库12 避免FM讯号灵敏度劣化(Desense)之防治措施_以MT6616平台为例, 百度文库13 PCB与灌孔(Via)产生辐射干扰之机制与原理探讨, 百度文库14 GSM Troublesho