PCB的辐射发射诊断方法及抑制措施分析①

张 戟，石 娟，杨腾飞

(1，2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804;3.德尔福中国技术研发中心，上海 200120)

0 引言

随着控制器总线频率的提高和时钟/总线信号上升沿时间的下降，信号高频谐波分量的幅值也随之增加，产生了更宽频谱范围内的电磁辐射.研究辐射发射产生机理、准确地诊断出辐射源以及找出整改措施已变得势在必行［1－2］.

1 差模辐射和共模辐射及共模辐射的产生机理

PCB的辐射发射源主要是:PCB板上的走线和接插件电缆.接插件的电缆是效率很高的辐射天线，由于PCB上的高频信号会耦合到电缆上，因此往往电缆辐射是更主要的辐射贡献者.但归根到底，接插件电缆的辐射也是来源于PCB板上的走线.PCB板上的辐射发射有两种方式:共模辐射和差模辐射，分别是由共模电流和差模电流产生的.(1)差模辐射

在满足一定条件下，PCB板中的每根导线都可以看做一个电偶极子模型，利用电偶极子辐射场的计算公式可以算得差模电流的最大辐射电场强度为［3］其中，E为电场场强;f为差模电流的频率;A为差模电流的环路面积;I为差模电流的强度;r为测试点到差模电流环路中心的距离.

从上式可以看出，差模电流的辐射场强与电流的强度以及回路的面积成正比，与环路电流的频率的平方成正比，与测试点到环路中心距离成反比.因此得出抑制差模辐射的方法:1.减小电流值;2.降低电流频率;3.减小环路面积.

(2)共模辐射

利用电偶极子模型可计算得共模辐射公式为:

其中，E为电场场强;f为共模电流的频率;I为共模电流的强度;r为测试点到电缆的距离.为了减小某一特定频率的共模电流所产生的辐射场，可以选择减小电流和减小导线长度两种方法.

假设存在一对1米长的平行导线，导线间距为0.05m.导线上的差模电流频率为20MHz，幅值为30mA.根据式(1)，(2)可以分别计算出这对差模电流和共模电流在距离1米远处所产生的辐射场强度分别为7.9mV/m，756mV/m.

可见，同样幅值的共模电流和差模电流所产生的辐射场强度竟然相差达100倍，这充分说明了对系统的辐射发射起主要作用的是线缆上的共模电流［4］.

(3)共模辐射产生机理

电路板上的共模电流是由共模噪声电压产生的，该电压产生方式有两种，分别叫做电流驱动型和电压驱动型.电流驱动型的共模噪声电压是由于时变电流(差模电流)的回流在返回路径阻抗上形成的压降，电压驱动型的共模噪声电压则是直接来源于电路中的差模电压(比如芯片的某个管脚上或者连接器处的差模电压)［4］.这两种驱动方式，最初是由Elishakoff等人在其论文中提出并通过试验进行的验证［5］.这两种模型能够很好地解释电路板上共模电流的产生机理.文献［6］用了一个简化的信噪比模型来解释电路板上共模电流的产生机理，前面所说的两种模型最终都可以归结到这个模型上.

图1 C样机线缆共模电流频谱.测量频带100至500MHz，测量带宽10KHz

图2 320MHz处共模电流峰值(与背景噪声比较)

2 辐射发射诊断方法

通过前边的研究，了解了共模辐射产生机理，为了更好地定位电路板辐射源，希望通过现有的实验设备设计出一套PCB辐射发射问题诊断的方法.目的是通过实验对VMS辐射发射性能做全面的分析，确定引起辐射发射问题的电路板设计缺陷为下一版本的电路板设计提供重要参考.

辐射发射问题诊断试验方法可以分为如下几个步骤:1)确定电路板辐射超标的频率点;2)通过EMSCAN定位PCB辐射噪声源;3)分析辐射原因;4)提出整改意见.

(1)确定电路板辐射超标的频率点

在实验室中对整车控制器以及其附属线缆进行共模电流的测量，控制器通过两个符合CISPR25要求的AN供电，供电电压为24V.所有线缆均与控制器连接，线缆的另一端连接模拟负载箱.模拟负载箱直接放置在参考地平面上.线缆被放置在距离参考地平面60mm高的绝缘块上，线缆总长度为2m，其中平行于参考地平面前沿的一段长为1.5m.

测量结果如图1，2所示.

图中显示的是控制器通电状态下测量的结果与背景噪声相比较的结果，图所示是320MHz处实际的共模电流幅值，可以看到其峰值为24dBμA，比背景噪声高40dBμA.

(2)通过EMSCAN定位PCB辐射噪声源

使用EMSCAN对电路板进行近场扫描，可以看到电路板上区域A处的近场辐射强度是最大的［7］，且其频谱峰值点和共模电流频谱上的峰值点是相似的.如图3所示.

(3)分析辐射原因

查看电路图，位于这块区域的电路有看门狗芯片，其连接的信号包括SPI总线和Proreset#复位信号线.使用电压探头测量这几个信号线上的电压频谱，发现Proreset#信号线在很宽的频谱范围内都有 非常强的噪声电压(参见图5).

图3 控制器近场辐射测量结果

查看控制器原理图［7］，发现Proreset#信号线并没有经过任何滤波措施，而是直接从单片机管脚引出.信号线上的噪声电压将通过其与地平面之间的分布电容产生噪声电流.噪声电流的回流需要返回单片机的电源地管脚，观察Proreset#信号线的返回路径，发现信号管脚与单片机电源地管脚之间的地平面存在着由大量过孔的Antipad形成的空槽(参见图4).

图4 Proreset#信号线上噪声电流返回路径遇到地平面的空槽而形成噪声电压

空槽阻断了噪声电流的回流路径，也相当于增加了噪声电流的回流阻抗.噪声电流将在这个阻抗上产生噪声电压.使用电压探头测量空槽两端(测量点A和测量点B)的地网络，发现确实存在高频的电压差.

由此可以判断，Proreset#信号线上的噪声电流的回流在地平面阻抗上产生的噪声电压是驱动天线的噪声电压源.

(4)整改措施

由此可知，只要设法减小Antipad造成的噪声电流返回路径阻抗即可，此处，我们采取的措施是加大过孔之间的间距以避免电源/地平面空槽的出现，从而可以减小噪声电流返回路径的阻抗.控制器所采用的MPC555芯片是BGA封装，外围有四排针脚.由于针脚之间的间距只能允许单根走线穿过，因此要将所有信号线都引出必须使用过孔将走线引到电路板背面.但正如在C样机上所看到的，假如放置一排过孔，过孔的Antipad势必将在电源/地平面上形成空槽，使得这一区域信号电流返回路径的阻抗升高，且很有可能会产生噪声电压.因此，在改版的电路板设计中，对单片机针脚扇出的过孔(特别是数据/地址总线区域)进行了特殊 的安排，防止出现整排过孔的情况如图6所示.

图5 地平面空槽两侧噪声电压频谱比较

图6 安排过孔的放置避免在电源/地平面上出现大面积的空槽

图7 将信号线的过孔错开布置以避免地平面上大面积的空槽出现

对于电路板其他过孔比较集中的区域，将临近两个过孔之间的间距尽量拉大(至少保持在100mil的间距是合理的)，例如采用错开过孔的方法如图7所示.

3 总 结

本文首先分析了辐射发射的理论基础——共模辐射和差模辐射，指出电路板上的辐射主要贡献者是共模辐射.根据对控制器的辐射发射诊断方法，利用电磁兼容测试平台对文中控制器的辐射发射问题进行了诊断，结果证明了本诊断方法具有一定的准确性、可操作性.

［1］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Dircuit Boards with Attached Cables，1996，Vol.122(6):559 －565.

［2］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Circuit Boards with Attached Cables［J］.IEEE Electromagnetic Compatibility，1996，Vol.122(6):559－565.

［3］Clayton R.Paul，Introduction to Electromagnetic Compatibility(Version 2)［M］.John Wiley＆ Sons，Inc.2007.553－563.

［4］杨继深.电池兼容技术之研发与认证第二版［M］.北京:电子工业出版社，2005:140－181.

［5］Elishakoff I.，Ren Y.J.＆ Shinozuka M，Investigation of Fundamental EMI Source Mechanisms Driving Common－mode Radiation from Printed Circuit Boards with Attached Cables［J］.IEEE Electromagnetic Compatibility，1996，Vol.122(6):559 －565.

［6］Frank B.J.LeferinkReduction of Printed Circuit Board Radiated Emission.

［7］杨腾飞，张戟，王洪武.整车控制器的辐射发射问题分析与诊断［J］.机械与电子，2011，24(6):47 －50.