电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用

电磁场高速自动扫描技术在高速PCB设计中的应用电磁兼容测试对行将进入市场的电子产品是十分重要的一项测试，但以往的测试只能得出能否经过的结果，不能提供更多有用信息。本文引见应用高速自动扫描技术测量电磁辐射，检测PCB板上电磁场的变化状况，使工程技术人员在停止电磁兼容性规范测试前就能发现相关效果并及时予以纠正。随着当今电子产品主频提高、布线密度添加以及少量BGA封装器件和高速逻辑器件的运用，设计人员不得不经过添加PCB板的层数来增加信号与信号间的相互影响。同时在少量便携式终端设备中，为了降低系统功耗必需采用多电平方案，而这些设备还有模拟或许RF电路，需求采用多种地，又必需运用电源平面和地平面联系的技术。因此PCB板上的信号Z间存在少量辐射搅扰，形成设备功用缺点或许任务不动摇，而且一切信号对外构成很强电磁辐射，使得EMC测试也成为产品上市的一个阻碍。目前大局部硬件工程师还只是凭阅历来设计PCB,在调试进程中，很多需求观测的信号线或许芯片引脚被埋在PCB中间层，无法运用示波器等工具去探测，假设产品不能经过功用测试，他们也没有有效的手腕去查找效果的缘由。要想验证产品的EMC特性，只要把产品拿到规范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状况，就算没有经过也不能为处置效果提供有用的信息，因此工程师只能凭阅历去修正PCB,偏重复实验。这种实验方法十分昂贵，而且能够耽误产品的上市时间。当然，如今有很多高速PCB剖析和仿真设计工具，可以协助工程师处置一些效果，可是目前在器件模型上还存在很多限制，例如能处置信号完整性（SI）仿真的旧IS模型就有很多器件没有模型或许模型不准确。要准确仿真EMC效果，就必需用SPICE模型，但目前简直一切的ASIC都不能提供SPICE模型，而假设没有SPICE模型，EMC仿真是无法把器件自身的辐射思索在内的（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停止折*精度相对较高的，需求的计算时间很长，而仿真速度快的工具，其精度又很低。因此用这些工具停止仿真，不能完全处置高速PCB设计中的相互关扰效果。我们知道，在多层PCB中高频信号的回流途径应该在该信号线层临近的参考地平面（电源层或许地层）上，这样的回流和阻抗最小，但是实践的地层或电源层中会有联系和镂空，从而改动回流途径，招致回流面积变大，惹起电磁辐射和地弹噪声。假设工程师能清楚电流途径的话，就能防止大的回流途径，从而有效控制电磁辐射。但信号回流途径由信号线布线、PCB电源和地散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要素所决议，故而对复杂系统的回流途径从实际上停止判定十分困难。所以在设计阶段扫除辐射噪声效果十分关键。我们用示波器能看到信号的波形，从而可协助处置信号完整性效果，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？在各种电磁辐射测量方法中，有一种近场扫描测量方法能处置这个效果，该方法基于这样的原理设计，即电磁辐射是被测设备（DUT）上的高频电流回路构成的。如加拿大EMSCAN公司的电磁辐射扫描系统Emscan就是依据这个原理制成的，它采用H场阵列探头（有32x40=1280个探头）来探测DUT上的电流，在测量时期，DUT直接放在扫描器的下面。这些探头可以检测由于高频电流发作变化而惹起的电磁场的变化，系统可提供RF电流在PCB上空间散布的视觉图像（图1）oEmscan电磁兼容扫描系统曾经在通讯、汽车、办公电器以及消费电子等工业范围失掉普遍运用，经过该系统提供的电流密度图，工程师在停止电磁兼容性规范测试前就能发现有EMI效果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«A/2TT）停止，DUT±收回的辐射信号大局部被耦合到磁场探头上，大批能量分散到自在空间。磁场探头耦合了近H场的磁通线以及PCB士的电流，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那么主要与电场相关，在PCB上，纯电场或许纯磁场都是很少见的。RF和微波电路*电路的输入阻抗以及衔接用的微带或许微带线，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发生大电流和低电压变化，此外数字电路的趋向也是运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。综合这些要素，大局部PCB活性近场区域能量都包括在近磁场中，因此Emscan扫描系统采用的磁场环适宜于这些PCB的近场诊断。一切的环是一样的，但是它们在反应网络中的位置不同，因此反应网络可感应各个环的照应，每个环相对参考源的照应都被测量出来并思索为滤波转移函数。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，可以快速有效判别电路修正前后的效果（图2）o快速扫描技术及其先进幅度坚持扫描技术和同步扫描技术使该系统能有效捕捉瞬态事情，同时它采用能提升频谱剖析仪测量精度的技术，提高了测量的准确性和可重复性。评价PCB近场辐射搅扰的测量方法PCB辐射搅扰状况的反省可分几步停止。首先确定需求扫描的区域，然后选择能充沛采样扫描区域的探头（栅格7.5mm）在100kHz3GHz的频率范围内停止频谱扫描，并存储每个频率点的最大电平。留意，比拟大的频率点可应用空间扫描在扫描区域内作进一步反省，这样可以定位搅扰源以及关键电路途径。被测板必需尽能够接近扫描器板，由于随着距离添加，接纳信噪比会降低，而且还会有’’分别〃效应。实践测量中，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分能够会由于元器件的高度而使测量出现效果，因此元器件的高度必需要思索，以对测量的电压电平停止校正。在基本反省中，需思索分别距离校正因子。我们可以很快失掉测量结果，但是这些结果不能评判产品能否契合EMC特性，由于它测量的值是PCB板上的高频电流发生的电磁近场。而规范EMC测试是要求在开阔场地（OATS）或许在暗室停止的，距离为3米（即远场）。虽然Emscan的测量不能取代规范EMC测试，但是实际证明，它确实有很多用途。经过对测量结果的剖析，可以得出很多结论以利于产品的后续开发。除了失掉电压电平外，以下信息也十分重要：搅扰发生点、搅扰散布、掩盖大区域的搅扰传导途径、搅扰被限制在PCB上的狭窄区域以及外部结构或临近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设计质量评价的一个规范，进一步来说，假设我们曾经知道了一个相似的PCB的EMC特性，我们完全可以在产品开发早期对EMC特性停止比拟牢靠的评价，例如能否应该采用屏蔽手腕等。特别值得一提的是，电磁场高速扫描系统还能提醒瞬态EMI效果，瞬态EMI效果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功用和牢靠性。PCB抗搅扰功用的评价在实践运用中，一切电子设备都会遭到电磁场的搅扰，假设一个设备不能满足抗搅扰要求，也不停止屏蔽，那么该设备的功用就会受电磁搅扰的影响。理想说明，搅扰信号的频率能够会有几百MHz，这些搅扰主要经过衔接的导体停止耦合，因此I/O模块的抗搅扰设计十分重要。为了增强产品的抗搅扰功用，有时不得不添加滤波等手腕，这意味着会添加产品的本钱。从这种角度上看，寻觅一种能优化一切电路和元器件的处置方案十分重要。经过适当修正下面提到的测量方法，在产品开发和测试阶段就可以正确评价产品的抗搅扰功用。改良后的方法如下：把PCB放在扫描器板上停止频谱扫描以决议PCB的搅扰频率，然后把该频率正弦波搅扰信号用夹子或许适当耦合设备（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（防止与PCB板的搅扰频率堆叠）、功率-20到OdBm（取决于耦合器件和PCB的类型）的发作器，执行与所加搅扰信号分歧的频率停止空间扫描。搅扰信号从耦合点到PCB内的散布状况就能十分清楚地在空间扫描图形上看出来，然后可以依据下面一些原那么对空间扫描结果停止解释，包括PCB上哪些区域散布有耦合上去的搅扰信号、拔出滤波器的有效性（衰减搅扰信号）、临近I/O导体耦合状况以及PCB接地层或许区域的有效性等。经济效益电磁场高速扫描技术在PCB设计和调试中的运用，能协助及早发现效果，及时采取有效措施消弭或抑制系统外部和对外电磁搅扰，确保产品EMC测试一次经过，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，增加产品的售后效劳任务量。平均而言，一个新产品设计需求2至4次去EMC场地测试，每次去EMC场地测试都需求等34周时间。假设产品没有经过测试，整个进程将十分长，而且还不得不重复停止，直到经过测试。电磁搅扰扫