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                      電磁場高速自動掃描技術在高速PCB設計中的應用

                      發布時間:2012-01-16 00:00:00 分類:企業新聞

                         杭州pcb公司-緯亞電子:電磁兼容測試對即將進入市場的電子產品是非常重要的一項測試,但以往的測試只能得出能否通過的結果,不能提供更多有用信息。本文介紹利用高速自動掃描技術測量電磁輻射,檢測pcb板上電磁場的變化情況,使工程技術人員在進行電磁兼容性標準測試前就能發現相關問題并及時予以糾正。

                        隨著當今電子產品主頻提高、布線密度增加以及大量BGA封裝器件和高速邏輯器件的使用,設計人員不得不通過增加pcb板的層數來減少信號與信號間的相互影響。同時在大量便攜式終端設備中,為了降低系統功耗必須采用多電平方案,而這些設備還有模擬或者RF電路,需要采用多種地,又必須使用電源平面和地平面分割的技術。因此pcb板上的信號之間存在大量輻射干擾,造成設備功能故障或者工作不穩定,而且所有信號對外形成很強電磁輻射,使得EMC測試也成為產品上市的一個障礙。

                        目前大部分硬件工程師還只是憑經驗來設計pcb,在調試過程中,很多需要觀測的信號線或者芯片引腳被埋在pcb中間層,無法使用示波器等工具去探測,如果產品不能通過功能測試,他們也沒有有效的手段去查找問題的原因。要想驗證產品的EMC特性,只有把產品拿到標準電磁兼容測量室去測量,由于這種測量只能測產品對外輻射情況,就算沒有通過也不能為解決問題提供有用的信息,因此工程師只能憑經驗去修改pcb,并重復試驗。這種試驗方法非常昂貴,而且可能耽誤產品的上市時間。


                        當然,現在有很多高速pcb分析和仿真設計工具,可以幫助工程師解決一些問題,可是目前在器件模型上還存在很多限制,例如能解決信號完整性(SI)仿真的IBIS模型就有很多器件沒有模型或者模型不準確。要精確仿真EMC問題,就必須用SPICE模型,但目前幾乎所有的ASIC都不能提供SPICE模型,而如果沒有SPICE模型,EMC仿真是無法把器件本身的輻射考慮在內的(器件的輻射比傳輸線的輻射大得多)。另外,仿真工具往往要在精度和仿真時間上進行折中,精度相對較高的,需要的計算時間很長,而仿真速度快的工具,其精度又很低。因此用這些工具進行仿真,不能完全解決高速pcb設計中的相互干擾問題。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖1:Emscan電磁掃描系統的組成。">

                        我們知道,在多層pcb中高頻信號的回流路徑應該在該信號線層臨近的參考地平面(電源層或者地層)上,這樣的回流和阻抗最小,但是實際的地層或電源層中會有分割和鏤空,從而改變回流路徑,導致回流面積變大,引起電磁輻射和地彈噪聲。如果工程師能清楚電流路徑的話,就能避免大的回流路徑,從而有效控制電磁輻射。但信號回流路徑由信號線布線、pcb電源和地分布結構以及電源供電點、去耦電容和器件放置位置和數量等多種因素所決定,故而對復雜系統的回流路徑從理論上進行判定非常困難。

                        所以在設計階段排除輻射噪聲問題非常關鍵。我們用示波器能看到信號的波形,從而可幫助解決信號完整性問題,那么有沒有設備能看到輻射的“圖形”以及電路板上的回流呢?

                      電磁場高速掃描測量技術

                        在各種電磁輻射測量方法中,有一種近場掃描測量方法能解決這個問題,該方法基于這樣的原理設計,即電磁輻射是被測設備(DUT)上的高頻電流回路形成的。如加拿大EMSCAN公司的電磁輻射掃描系統Emscan就是根據這個原理制成的,它采用H場陣列探頭(有32×40=1280個探頭)來探測DUT上的電流,在測量期間,DUT直接放在掃描器的上面。這些探頭可以檢測由于高頻電流發生變化而引起的電磁場的變化,系統可提供RF電流在pcb上空間分布的視覺圖像(圖1)。

                        Emscan電磁兼容掃描系統已經在通信、汽車、辦公電器以及消費電子等工業領域得到廣泛應用,通過該系統提供的電流密度圖,工程師在進行電磁兼容性標準測試前就能發現有EMI問題的區域并采取相應措施。

                        近場掃描原理Emscan的測量主要在活性近場區域(r<<λ/2π)進行,DUT上發出的輻射信號大部分被耦合到磁場探頭上,少量能量擴散到自由空間。磁場探頭耦合了近H場的磁通線以及pcb上的電流,另外它也獲取一些近E場的微量成分。

                        大電流低電壓電流源主要與磁場相關,而高電壓小電流電壓源則主要與電場相關,在pcb上,純電場或者純磁場都是很少見的。RF和微波電路中,電路的輸入阻抗以及連接用的微帶或者微帶線,其阻抗都被設計為50歐姆,這種低阻抗設計使得這些元器件產生大電流和低電壓變化,此外數字電路的趨勢也是使用更低電壓差的邏輯器件,同時活性近場區域內的磁場波阻抗遠小于電場波阻抗。綜合這些因素,大部分pcb活性近場區域能量都包含在近磁場中,因此Emscan掃描系統采用的磁場環適合于這些pcb的近場診斷。

                        所有的環是一樣的,然而它們在反饋網絡中的位置不同,因此反饋網絡可感應各個環的響應,每個環相對參考源的響應都被測量出來并考慮為濾波轉移函數。為了保證測量的線性度,Emscan測量的是這個轉移函數的倒數。 杭州pcb|杭州SMT


                        由于采用了陣列天線和電子自動切換天線技術,因此測量速度大大加快,比手工單探頭測量方案快幾千倍,也比自動單探頭測量方案快幾百倍,能夠快速有效判斷電路修改前后的效果(圖2)??焖賿呙杓夹g及其先進幅度保持掃描技術和同步掃描技術使該系統能有效捕捉瞬態事件,同時它采用能提升頻譜分析儀測量精度的技術,提高了測量的精確性和可重復性。

                      評估pcb近場輻射干擾的測量方法VSPACE=12 HSPACE=12

                      ALT="圖2:Emscan的測量結果顯示。">

                        pcb輻射干擾情況的檢查可分幾步進行。首先確定需要掃描的區域,然后選擇能充分采樣掃描區域的探頭(柵格7.5mm),在100kHz~3GHz的頻率范圍內進行頻譜掃描,并存儲每個頻率點的最大電平。注意,比較大的頻率點可利用空間掃描在掃描區域內作進一步檢查,這樣可以定位干擾源以及關鍵電路路徑。

                        被測板必須盡可能靠近掃描器板,因為隨著距離增加,接收信噪比會降低,而且還會有“分離”效應。實際測量中,這個距離應該小于1.5cm。我們可以看到,對元件面的測量有時候可能會因為元器件的高度而使測量出現問題,因此元器件的高度必須要考慮,以對測量的電壓電平進行校正。在基本檢查中,需考慮分離距離校正因子。

                        我們可以很快得到測量結果,但是這些結果不能評判產品是否符合EMC特性,因為它測量的值是pcb板上的高頻電流產生的電磁近場。而標準EMC測試是要求在開闊場地(OATS)或者在暗室進行的,距離為3米(即遠場)。

                        盡管Emscan的測量不能取代標準EMC測試,但是實踐證明,它確實有很多用途。通過對測量結果的分析,可以得出很多結論以利于產品的后續開發。除了得到電壓電平外,下列信息也非常重要:干擾產生點、干擾分布、覆蓋大區域的干擾傳導路徑、干擾被限制在pcb上的狹窄區域以及內部結構或臨近I/O模塊間的耦合等,還可以看到數字電路和模擬電路分開的效果。

                        上述測量可作為pcb設計質量評估的一個標準,進一步來說,如果我們已經知道了一個類似的pcb的EMC特性,我們完全可以在產品開發早期對EMC特性進行比較可靠的評估,例如是否應該采用屏蔽手段等。

                        特別值得一提的是,電磁場高速掃描系統還能揭示瞬態EMI問題,瞬態EMI問題在電磁兼容性測量中往往不會被檢測到,但是它們會影響產品的性能和可靠性。

                      pcb抗干擾性能的評估

                        在實際使用中,所有電子設備都會受到電磁場的干擾,如果一個設備不能滿足抗干擾要求,也不進行屏蔽,那么該設備的性能就會受電磁干擾的影響。事實表明,干擾信號的頻率可能會有幾百MHz,這些干擾主要通過連接的導體進行耦合,因此I/O模塊的抗干擾設計非常重要。為了增強產品的抗干擾性能,有時不得不增加濾波等手段,這意味著會增加產品的成本。從這種角度上看,尋找一種能優化所有電路和元器件的解決方案非常重要。

                        通過適當修改上面提到的測量方法,在產品開發和測試階段就能夠正確評估產品的抗干擾性能。改進后的方法如下:把pcb放在掃描器板上進行頻譜掃描以決定pcb的干擾頻率,然后把該頻率正弦波干擾信號用夾子或者適當耦合設備(如平衡線上用的T-LISN)耦合到I/O線或導體上,采用步距10MHz、頻率范圍能滿足10MHz到150MHz(避免與pcb板的干擾頻率重疊)、功率-20到0dBm(取決于耦合器件和pcb的類型)的發生器,執行與所加干擾信號一致的頻率進行空間掃描。干擾信號從耦合點到pcb內的分布情況就能非常清楚地在空間掃描圖形上看出來,然后可以根據下面一些原則對空間掃描結果進行解釋,包括pcb上哪些區域分布有耦合上去的干擾信號、插入濾波器的有效性(衰減干擾信號)、臨近I/O導體耦合情況以及pcb接地層或者區域的有效性等。

                      經濟效益

                        電磁場高速掃描技術在pcb設計和調試中的應用,能幫助及早發現問題,及時采取有效措施消除或抑制系統內部和對外電磁干擾,確保產品EMC測試一次通過,從而加快產品設計進程,提高產品設計質量,節省產品開發費用,減少產品的售后服務工作量。

                        平均而言,一個新產品設計需要2至4次去EMC場地測試,每次去EMC場地測試都需要等3~4周時間。如果產品沒有通過測試,整個過程將非常長,而且還不得不重復進行,直到通過測試。電磁干擾掃描技術能讓工程師在“設計過程中”考慮產品電磁兼容性,從而縮短產品開發時間和減少去EMC場地測試的次數。典型情況下可以把產品的上市時間提前3至12周或者更多。

                        另外替代元件的確定對于確保持續生產和成本控制也是非常重要的,很多情況下,替代元件與首選元件的電磁輻射特性不一致,電磁掃描技術提供了一種快速有效評估替代元件可用性的手段,能保證在不影響產品電磁完整性的前提下降低產品的生產成本。  

                       

                      (杭州pcb|杭州SMT|杭州pcb設計|杭州pcb打樣|杭州pcb板生產廠家-杭州緯亞電子科技有限公司) 

                      來源:電磁場高速自動掃描技術在高速PCB設計中的應用

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