สิ่งที่แผ่กระจายไปบน PCB ของฉัน

ฉันเพิ่งทำการทดสอบ EMC ที่เหมาะสมบน PCB ของฉัน มันล้มเหลวในการทดสอบและดูเหมือนว่าจะแผ่กระจายไปในภูมิภาค 300MHz - 1GHz โดยมียอดเขาทุก 50MHz และยอดเขาเล็ก ๆ ใน 25MHz

เมื่อดูที่สนามใกล้คุณจะเห็นฮาร์โมนิกส์ 25MHz มากมายรอบ ๆ :

บอร์ดประกอบด้วยคริสตัล 25MHz ซึ่งจะต้องเป็นแหล่งที่มาของสัญญาณ แต่คำถามคือสิ่งที่บนกระดานจะแผ่? เสาอากาศอาจเป็นอะไร ผู้สมัครที่ฉันนึกได้คือ:

• ระนาบกราวด์ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศปะกลางป้อน บอร์ดนี้มีขนาด 23 มม. x 47 มม. ซึ่งทำให้ความยาวคลื่นไตรมาสละประมาณ 1.6GHz!
• ตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟ บอร์ดนี้มี วงจรรวมแหล่งจ่ายไฟแบบวงจรเหนี่ยวนำการสลับTPS84250และEN5312 บางทีสัญญาณ 25MHz กำลังหาทางกลับไปที่ตัวเหนี่ยวนำในไอซีเหล่านี้และใช้มันเป็นเสาอากาศ
• สายเคเบิล แม้ว่าการเพิ่มเฟอร์ไรต์ลงในสายเคเบิลในระหว่างการทดสอบดูเหมือนจะไม่ได้สร้างความแตกต่างใด ๆ ซึ่งทำให้ฉันเชื่อว่าเป็นสิ่งที่อยู่บน PCB
• อื่น ๆ อีก? ฉันไม่สามารถคิดได้ว่าจะมีอะไรใหญ่พอที่จะฉายที่ความถี่ต่ำเช่นนี้

อุปกรณ์ภายใต้การทดสอบประกอบด้วย PCBs คู่หนึ่งเรียงซ้อนกัน ด้านล่างประกอบด้วยคริสตัล 25MHz และชิปที่ใช้งาน ด้านบนมีส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟ

คำถามสำหรับคะแนนโบนัส: จะเป็นไปได้อย่างไรที่จะมีฮาร์มอนิกที่ความถี่ 25MHz จำนวนมากอย่างชัดเจนในบริเวณใกล้เคียง แต่มีเพียง Harmonics 100MHz และ 50MHz ที่สามารถตรวจพบได้ในพื้นที่ห่างไกล

นี่เป็นปัญหาที่ยากที่จะครอบคลุมในสองสามร้อยคำดังนั้นนี่จะสั้นและคุณจะต้องทำการวิจัยด้วยตัวเอง แต่ฉันจะพยายามสรุปให้เพียงพอเพื่อให้คุณอย่างน้อยก็รู้ว่าต้องทำวิจัยอะไร

คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับอิมพีแดนซ์ของการติดตามการยกเลิกสัญญาณเส้นทางการส่งสัญญาณและการบายพาส / การแยกแคป หากคุณได้รับสิ่งเหล่านี้อย่างถูกต้องแล้วคุณจะไม่มีปัญหา EMC การทำให้มันสมบูรณ์แบบ 100% นั้นเป็นไปไม่ได้ แต่คุณสามารถเข้าใกล้ได้มากกว่าตอนนี้

อันดับแรกให้ดูที่เส้นทางการส่งสัญญาณ ... สำหรับทุกสัญญาณจะต้องมีเส้นทางย้อนกลับ โดยปกติแล้วการกลับมาจะอยู่บนระนาบพลังงานหรือภาคพื้นดิน แต่อาจเป็นที่อื่นได้เช่นกัน บน PCB ของคุณผลตอบแทนอยู่บนเครื่องบิน เส้นทางย้อนกลับไปจากผู้รับกลับไปยังไดรเวอร์ พื้นที่ลูปคือฟิสิคัลลูปที่สร้างขึ้นโดยสัญญาณบวกกับเส้นทางการส่งคืน โดยทั่วไปแล้วกฎของฟิสิกส์จะทำให้พื้นที่ลูปมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่การกำหนดเส้นทาง PCB ต้องการทำให้เกิดปัญหา

ยิ่งบริเวณลูปมีขนาดใหญ่เท่าไหร่ปัญหาเรื่อง RF ของคุณก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น คุณจะปล่อยคลื่นความถี่วิทยุมากกว่าที่คุณต้องการไม่เพียง แต่คุณจะได้รับคลื่นความถี่วิทยุมากขึ้นด้วย

สัญญาณที่เลเยอร์ด้านล่าง (สีน้ำเงิน) จะต้องการให้เส้นทางกลับของพวกเขาอยู่บนระนาบที่อยู่ติดกันในเลเยอร์ถัดไป (สีฟ้า) - เนื่องจากทำให้พื้นที่ลูปมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สัญญาณที่ชั้นบนสุด (สีแดง) จะมีเส้นทางกลับของพวกเขาที่ชั้นทอง

หากสัญญาณเริ่มต้นที่ชั้นบนสุดจากนั้นผ่านผ่านไปยังชั้นล่างแล้วเส้นทางกลับสัญญาณจะต้องการเปลี่ยนจากทองคำเป็นเลเยอร์สีฟ้าที่จุดผ่าน! นี่เป็นหน้าที่หลักของการแยกแคปออก โดยปกติเครื่องบินหนึ่งจะเป็น GND และอีกเครื่องบินหนึ่งจะเป็น VCC เส้นทางการส่งสัญญาณสามารถผ่าน cap decoupling เมื่อสลับระหว่างระนาบ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องมีตัวพิมพ์ใหญ่ระหว่างระนาบแม้ว่าจะไม่จำเป็นต้องมีเหตุผลด้านพลังงาน

หากไม่มีตัวแยกการแยกระหว่างระนาบนั้นเส้นทางส่งคืนจะไม่สามารถใช้เส้นทางตรงได้มากขึ้นดังนั้นพื้นที่ลูปจะเพิ่มขนาด - และปัญหาของอีเอ็มซีจะเพิ่มขึ้น

แต่ช่องว่าง / การแยกในเครื่องบินอาจเป็นปัญหาได้มากกว่า เลเยอร์ทองคำของคุณมีระนาบแยกและร่องรอยสัญญาณซึ่งสร้างปัญหา หากคุณเปรียบเทียบเลเยอร์สีแดงและสีทองคุณจะเห็นว่าสัญญาณข้ามช่องว่างในระนาบ ทุกครั้งที่สัญญาณข้ามเป็นโมฆะในระนาบแล้วมีบางอย่างกำลังแย่ กระแสย้อนกลับจะอยู่บนระนาบ แต่ไม่สามารถติดตามรอยข้ามโมฆะได้ดังนั้นจึงต้องใช้เส้นทางใหญ่ สิ่งนี้จะเพิ่มพื้นที่ลูปและปัญหา EMC ของคุณ

คุณสามารถวางหมวกข้ามโมฆะขวาที่สัญญาณข้าม แต่แนวทางที่ดีกว่าคือการเปลี่ยนเส้นทางสิ่งต่าง ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ตั้งแต่แรก

อีกวิธีหนึ่งที่สามารถสร้างปัญหาเดียวกันคือเมื่อคุณมีหลายจุดแวะที่อยู่ติดกัน ระยะห่างระหว่างจุดแวะและระนาบสามารถสร้างช่องในระนาบ ลดการกวาดล้างหรือกระจายจุดแวะออกเพื่อไม่ให้เกิดสล็อต

ตกลงนั่นเป็นปัญหาที่ใหญ่ที่สุดในบอร์ดของคุณ เมื่อคุณเข้าใจแล้วคุณต้องดูการสิ้นสุดของสัญญาณและการควบคุมอิมพิแดนซ์การติดตาม หลังจากนั้นคุณต้องดูที่การป้องกันและแชสซีปัญหา GND กับการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ตของคุณ (ข้อมูลไม่เพียงพอใน Q เพื่อแสดงความคิดเห็นอย่างถูกต้อง)

ฉันหวังว่าจะช่วย ฉันมีปัญหากับเรื่องนี้มาก แต่ก็ควรให้คุณไปได้

เมื่อหมุนบอร์ดของฉันใหม่เสียงจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด ฉันทำการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะทราบว่าสิ่งใดที่รับผิดชอบ โดยทั่วไปฉันคัดลอกข้อควรระวัง EMC ที่ใช้ในโมดูล Beckhoff EtherCAT

• เฟอร์ไรต์สำหรับหมุดพลังงานทั้งหมดของ ET1200 ASIC โดยมีฝาครอบก่อนและหลังเฟอร์ไรต์
• ตัวเก็บประจุ 5pF, เฟอร์ไรต์สองตัวและโหมดทั่วไปทำให้หายใจไม่ออกบนเส้น LVDS ขาออก
• รูปแบบคริสตัลที่ดีขึ้นพร้อมระนาบกราวด์แบบเต็มใต้ ฉันยังทำตามคำแนะนำของแลงเกี่ยวกับการเชื่อมต่อของกราวด์แคปของคริสตัล

สำหรับสิ่งที่แผ่ออกมาจริง มันยากที่จะแน่ใจว่าการป้องกัน ET1200 นั้นดูเหมือนจะไม่ช่วยอะไร และไม่ได้เพิ่มเฟอร์ไรต์ให้กับสายเคเบิล สิ่งเดียวที่ช่วยได้คือใส่ PCB ไว้ในกล่องโลหะ ดังนั้นฉันคิดว่ามันเป็นอะไรบางอย่างบน PCB บางทีระนาบกราวด์ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศปะกลางป้อนตามที่แลงแนะนำ

ฉันคิดว่าฮาร์โมนิกส์ 25MHz นั้นชี้ไปที่ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอีเธอร์เน็ต ฉันไม่คุ้นเคยกับคำแนะนำ Micrel แต่ผู้ค้ารายอื่นส่วนใหญ่แนะนำระยะห่างขั้นต่ำระหว่าง phy และ magnetics ซึ่งไม่ปรากฏบนกระดานของคุณ นอกจากนี้ยังมีระนาบกราวด์ต่อเนื่องภายใต้สนามแม่เหล็กซึ่งไม่แนะนำให้ใช้กับสถานที่ส่วนใหญ่

มันค่อนข้างยากที่จะบอกด้วยรูปภาพเลย์เอาต์ แต่ดูเหมือนว่าร่องรอยที่ทำงานภายใต้ phy นั้นจะ จำกัด และออกมาเป็นเสาอากาศที่ดีในชั้นตรงข้าม สิ่งนี้สามารถยืนยันได้ด้วยการสำรวจภาคสนามที่อยู่ใกล้หรือเปล่า?

สิ่งที่ปรากฏในสนามใกล้และไม่ไกลหมายความว่าไม่มีเส้นทางเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพและเสาอากาศสำหรับความถี่นั้นในความเข้าใจของฉัน

คุณแน่ใจหรือว่าคุณมีทุกอย่างที่ถูกต้อง? ฉันมีเครื่องทดสอบอีเอ็มซีบอกฉันว่าเขามีบอร์ดหนึ่งบอร์ดที่เดินจากไปไม่ผ่านเพื่อไปเพราะพวกเขาพลาดหมวกบายพาสหนึ่งอัน นอกจากนี้คุณยังสามารถตรวจสอบให้แน่ใจว่าบายพาสแคปของคุณทำงานในแบบที่คุณต้องการที่ 25MHz ใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมพร้อมตัวกำเนิดการติดตามและสายเคเบิล 50 โอห์มพร้อมแคปที่ประสานกับมันและดูว่ามันทำงานอย่างไร

ฉันคิดว่าคำตอบของ David Kessner ยังคงมีค่าควรพิจารณา ฉันไม่รู้สึกว่าเรามีข้อมูลที่สมบูรณ์เพียงพอที่นี่จริงๆ

ฉันคิดว่าสิ่งที่ดีที่สุดคือการเช่าหนึ่งหรือสองชั่วโมงด้วยเทคโนโลยี emc ที่มีประสบการณ์ (บางทีคุณอาจมีหนึ่งในบ้าน) และดูดซับทุกสิ่งที่เขาบอกคุณเกี่ยวกับบอร์ดของคุณ