Was strahlt auf meiner Leiterplatte?

Ich habe kürzlich einen ordentlichen EMV-Test auf einer meiner Leiterplatten durchgeführt. Es hat den Test nicht bestanden und scheint im Bereich von 300 MHz - 1 GHz mit Spitzenwerten alle 50 MHz und kleinen Spitzenwerten bei 25 MHz zu strahlen.

Wenn Sie das Nahfeld betrachten, können Sie deutlich viele 25-MHz-Harmonische in der Umgebung erkennen:

Die Platine enthält einen 25-MHz-Quarz, der die Signalquelle sein muss. Die Frage ist jedoch, was auf der Platine strahlt. Was könnte die Antenne sein? Kandidaten, an die ich denken kann, sind:

• Die Massefläche fungiert als Patchantenne mit Mittelspeisung. Das Board ist 23mm x 47mm groß, was eine Viertelwellenlänge für ca. 1,6 GHz ergibt!
• Die Induktivitäten in den Netzteilen. Die Karte enthält integrierte Schaltnetzteil-ICs für Induktivitäten gemäß TPS84250 und EN5312 . Vielleicht findet das 25-MHz-Signal seinen Weg zurück zu den Induktivitäten in diesen ICs und verwendet sie als Antennen.
• Das Kabel. Obwohl das Hinzufügen von Ferriten zum Kabel während des Tests keinen Unterschied zu machen schien, glaube ich, dass es sich um etwas auf der Platine selbst handelt.
• Etwas anderes? Ich kann mir nicht vorstellen, was sonst groß genug ist, um bei so niedrigen Frequenzen zu strahlen.

Das zu prüfende Gerät besteht aus einem Paar Leiterplatten, die übereinander gestapelt sind. Der untere enthält den 25-MHz-Kristall und die Chips, die ihn verwenden. Die obere enthält die Netzteilkomponenten.

Frage für Bonuspunkte: Wie kann es sein, dass im Nahfeld deutlich viele 25-MHz-Oberschwingungen vorhanden sind, im Fernfeld jedoch nur 100-MHz- und 50-MHz-Oberschwingungen erkennbar sind?

Dies ist ein schwieriges Problem, das in ein paar hundert Wörtern behandelt werden kann. Es wird also kurz sein und Sie müssen nur einige Recherchen alleine durchführen. Aber ich werde versuchen, es ausreichend zusammenzufassen, damit Sie zumindest wissen, was Sie erforschen müssen.

Sie müssen über die Trace-Impedanz, den Signalabschluss, die Signalrückleitungen und die Bypass- / Entkopplungskappen Bescheid wissen. Wenn Sie diese Angaben absolut korrekt machen würden, hätten Sie keine EMV-Probleme. Es ist unmöglich, es zu 100% perfekt zu machen, aber Sie können viel näher kommen, als Sie es jetzt sind.

Schauen wir uns zuerst die Signalrückwege an ... Für jedes Signal muss es einen Rückweg geben. Normalerweise erfolgt die Rückgabe auf der Strom- oder Bodenebene, aber es könnte auch anderswo sein. Auf Ihrer Platine erfolgt die Rückgabe in einem Flugzeug. Der Rückweg führt vom Empfänger zurück zum Fahrer. Der Schleifenbereich ist die physikalische Schleife, die vom Signal plus dem Rückweg erzeugt wird. Normalerweise wird die Loop-Fläche nach den Gesetzen der Physik so klein wie möglich sein - aber das PCB-Routing möchte das durcheinander bringen.

Je größer die Schleifenfläche, desto mehr HF-Probleme treten auf. Sie senden nicht nur mehr RF aus, als Sie möchten, sondern Sie erhalten auch mehr RF.

Die Signale auf der unteren (blauen) Ebene möchten, dass sich ihr Rückweg auf der benachbarten Ebene der nächsten Ebene (Cyan) befindet - da dies die Schleifenfläche so klein wie möglich macht. Signale auf der oberen (roten) Ebene haben ihren Rückweg auf der Goldebene.

Wenn ein Signal auf der obersten Ebene beginnt und dann durch eine Durchkontaktierung zur untersten Ebene geht, möchte der Signalrückleitungspfad an der Stelle der Durchkontaktierung von der Gold- zur Cyan-Ebene wechseln. Dies ist eine Hauptfunktion der Entkopplung von Kappen. Normalerweise wäre eine Ebene GND und die andere VCC. Beim Umschalten zwischen Ebenen kann ein Signalrückweg durch die Entkopplungskappe verlaufen. Deshalb ist es oft wichtig, zwischen den Flugzeugen Kappen zu haben, auch wenn dies aus Stromgründen offensichtlich nicht erforderlich ist.

Ohne eine Entkopplungskappe zwischen den Ebenen kann der Rückweg nicht direkter verlaufen, sodass sich die Schleifenfläche vergrößert und die EMV-Probleme zunehmen.

Aber Lücken / Sprünge in den Ebenen können noch problematischer sein. Ihre Goldschicht hat geteilte Ebenen und Signalspuren, die Probleme verursachen. Wenn Sie die roten und goldenen Schichten vergleichen, sehen Sie, wie Signale die Hohlräume in den Ebenen kreuzen. Jedes Mal, wenn ein Signal eine Lücke im Flugzeug passiert, wird etwas schief gehen. Der Rückstrom wird im Flugzeug sein, aber er kann der Spur nicht durch die Leere folgen und muss einen großen Umweg machen. Dies erhöht die Loop-Fläche und Ihre EMV-Probleme.

Sie können eine Kappe über die Leere platzieren, genau dort, wo sich die Signale kreuzen. Ein besserer Ansatz wäre jedoch, Dinge umzuleiten, um dies zu vermeiden.

Das gleiche Problem kann auch auftreten, wenn mehrere Vias nahe beieinander liegen. Der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen und der Ebene kann Schlitze in den Ebenen erzeugen. Verringern Sie entweder den Abstand oder verteilen Sie die Durchkontaktierungen, damit sich kein Schlitz bildet.

Ok, das ist das größte Problem mit deinem Board. Wenn Sie das verstanden haben, müssen Sie sich die Signal-Terminierung und die Kontrolle der Trace-Impedanz ansehen. Danach müssen Sie sich mit Abschirmungs- und Chassis-GND-Problemen bei Ihrer Ethernet-Verbindung befassen (nicht genügend Informationen im Q, um einen genauen Kommentar abzugeben).

Ich hoffe das hilft. Die Probleme haben mich wirklich umgehauen, aber das sollte dich zum Laufen bringen.

Nachdem ich mein Board neu gedreht habe, scheint das Geräusch deutlich reduziert zu sein. Ich habe einige Änderungen vorgenommen, daher ist es schwierig zu wissen, welche genau dafür verantwortlich sind. Grundsätzlich habe ich die in den Beckhoff EtherCAT-Modulen verwendeten EMV-Vorsichtsmaßnahmen kopiert

• Ferrite auf allen Power-Pins des ET1200 ASIC, mit Kappen vor und nach dem Ferrit.
• 5pF-Kondensator, zwei Ferrite und Gleichtaktdrossel an den ausgehenden LVDS-Leitungen.
• Verbessertes Kristalllayout mit vollständiger Grundebene darunter. Ich folgte auch dem Rat von Olin bezüglich des Anschlusses der Masse der Ladekappen des Kristalls.

Was strahlt eigentlich aus? Es ist schwer zu sagen, dass die Abschirmung des ET1200 selbst nicht zu helfen schien. Es wurden auch keine Ferrite zum Kabel hinzugefügt. Das Einzige, was geholfen hat, war das Einschließen der Leiterplatte in eine Metallbox. Also ich denke es war etwas auf der Platine. Vielleicht die Grundplatte, die wie eine Patchantenne mit Mittelspeisung wirkt, wie von Olin vorgeschlagen.

Ich denke, die 25-MHz-Oberwellen weisen auf Probleme mit dem Ethernet hin. Ich kenne die Empfehlungen von Micrel nicht, aber die meisten anderen Anbieter empfehlen einen Mindestabstand zwischen Phy und Magnetics, der auf Ihrem Board nicht erkennbar ist. Außerdem befindet sich unter dem Magnetfeld eine durchgehende Erdungsebene, was an den meisten Orten ebenfalls nicht zu empfehlen ist.

Bei den Layoutbildern ist es ziemlich schwierig zu sagen, aber es sieht so aus, als ob die Spur, die unter dem Phy verläuft, sich ausbreitet und als schöne Antenne auf der gegenüberliegenden Ebene herauskommt. Dies könnte vielleicht durch Nahfelduntersuchungen bestätigt werden?

Dinge, die im Nahfeld und nicht in der Ferne auftauchen, bedeuten meines Wissens, dass es für diese Frequenz keinen effektiven Kopplungspfad und keine Antenne gibt.

Sind Sie absolut sicher, dass Sie alles richtig umgangen haben? Ich ließ mich von einem Emc-Tester sagen, dass er ein Board hatte, das von nicht bestanden zu bestanden ging, weil sie eine Bypass-Kappe verpasst hatten. Sie können auch sicherstellen, dass Ihre Bypass-Kappen bei 25 MHz wie gewünscht funktionieren. Verwenden Sie einen Spektrumanalysator mit Nachführgenerator und eine 50-Ohm-Streifenleitung mit aufgelöteten Kappen, um zu sehen, wie sie tatsächlich funktionieren.

Ich denke, die Antwort von David Kessner ist immer noch bedenkenswert. Ich habe nicht das Gefühl, dass wir hier wirklich genügend Informationen haben.

Ich denke, das Beste wäre, ein oder zwei Stunden mit einem erfahrenen EMC-Techniker zu mieten (vielleicht haben Sie einen im Haus) und alles zu absorbieren, was er Ihnen über Ihr Board erzählt.