在我的咨询工作,我已经注意到,辐射发射(重新)和辐射免疫(RI)已经成为为我的大多数客户更普遍的问题。有几个原因,包括转向更紧凑的设计,更多的便携式产品,以及噪声的利润数字逻辑水平继续降低电源电压降低(使用基于ARM架构的流行意味着3.3 v系统取代5 v系统)。

失败的根源和RI可能是一个糟糕的布局设计,未嘈杂的节点,噪声耦合电缆,等。其中,有很高比例的失败相关结构共振系统。结构共振可以在大型系统两个系统与电缆,或一个小的女儿板安装在主电路板。在大多数情况下,结构共振导致辐射发射失败在他们的共振频率,它们也不能辐射免疫测试在同一频率范围由于互惠。(互惠意味着如果一个结构辐射,然后还拿起能量,反之亦然[1])。

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做了大量的工作在这个问题上。[2],飞机和空腔共振演示实例给出了共振背后的物理学。[3]共振背后涵盖了传输线理论和各种例子说明这一点。史密斯的网站[4]10多个短文章(他称之为技术花絮)覆盖共振结构的时候,主要是使用磁场测量技术循环。其他测量共振的方法包括使用频谱分析仪和天线[5]。的方法解决共振也包含在[1]- [5]。

最有效的方法解决谐振阻尼(通过使用多个连接或电阻连接),铁素体的方法(再一次,使用电阻铁氧体的一部分而不是感应部分纯电感产生反射),应用电磁兼容屏蔽(取决于地面结构,正如我们将在后面讨论),或简单地重新设计(通常是说起来容易做起来难)。

本文提出了一些该领域的案例研究;我已经试了所有的方法介绍了文字的审查和使用最具成本效益的(在财务条款和时间框架)方法来识别和定位共振结构。修复这个问题取决于产品设计,经常有许多限制。最具成本效益的方式,解决问题有不断尝试不同的方法。

案例研究1 -辐射发射与场效应管

确定共振结构

直流-直流转换器经历了在EMC和辐射排放进行测试。因为它是一种开关模式电源(smp),经验告诉我们开关节点(这是与开关设备和布局)往往是罪魁祸首。开关设备用于本产品mosfet在- 247包。

使用表面安装开关通孔设备的好处从EMC的角度来看是[6]。基本上,长期领导介绍大约10 nh - 247包的电感,连同MOSFET的自电容(估计4 nf在这种情况下),所以一个L-C储能电路组成。响期间观察到的切换事件显示20兆赫谐振频率,它的故障进行了发射试验中观察到。

单位也没有辐射发射测试250和360 mhz。视觉检查MOSFET布局(见图1)表明,PCB断流器面积大小相同的MOSFET冷却垫,这样MOSFET可以安装散热片通过螺钉连接PCB断路器。(这是一个机械团队的梦想,但EMC噩梦)。这个设计的另一个“有趣”的特性是场效应管和PCB断路器地区都位于PCB的边缘,这样他们就可以辐射非常有效。这种结构很容易产生共鸣,我们预期。

图1:场效应管在PCB,断路器的边缘地区的设计允许螺丝山的场效应管散热片(a)前视图(b)视图

看到它的方法

的技术,可以用来测量结构共振,[7]中介绍的方法也许是最容易和最便宜的设置。网络分析仪、频谱分析仪跟踪发生器可以做这项工作。定向耦合器(比如Mini-Circuits ZFDC-20-5 +或ZFDC-10-5 +)需要使用频谱分析仪,而网络分析仪消除了需要定向耦合器(因为它可以确定回波损耗)。

最基本的想法就是一个小圈辐射射频能量根据其循环区域。因为在这种情况下面积很小,它只会有效辐射3 GHz左右以上。下面这个频率,大部分的射频能量反弹由于反射。定向耦合器指导一些反射能量,所以希望看到一个平面曲线跟踪发生器的结果。如果循环接近共振结构,然而,可以吸收射频能量共振结构,导致频谱分析仪跟踪蘸一代阴谋的结果。看到一个视频演示的[8]。

图2显示了测试设置(与频谱分析仪、定向耦合器和屏蔽磁回路)。一个屏蔽环应该表现的更好的测试,因为它避免了电容耦合循环本身。但实际上,屏蔽和non-shielded循环证明同样工作的大部分时间。

图2:使用[7][8]中介绍的技术,可以轻易看到谐振点的频谱分析仪跟踪发生器的结果。在这种情况下,两个谐振点,辐射发射测试不及格。

修复

自问题被确认在后期和被测系统相当大(PCB只是系统的一部分),PCB的设计是不可能的。然而,有两个具有成本效益的方式,降低共振的影响。

1. 把小损耗矩形磁滞回线环核心晶体管腿通常是有利于这类问题。这个技术被用在1990年代,但它仍然发现在今天的设计:参见图3 (a)。核心电感增加,但阻尼环。因此,共振的频率和振幅下降。此外,矩形磁滞回线材料延迟当前上升,使软切换。
2. 插入一个EMI灵活吸收板设备和电路板之间的会有帮助。现代吸收器表经常有通透性高,可以作为很好的导热性材料,所以它们是适合这个应用程序。

图3(一个)小损耗环核心穿孔设备的排铅(b)灵活的EMI吸收器表有时也有良好的导热性

案例研究2 -辐射免疫引起的更换一个集成电路

改造一个新的集成电路取代旧技术在现有的产品往往并不像听起来那么容易。问题,如未能函数可靠或导致EMI问题可能发生。经常发现这样的错误后原IC市场不再可用。

在下面的例子中,一个公司措手不及,当他们发现了一个新的IC子板设计和安装在原IC引出线位置已经遭受辐射免疫问题。自产品是一个声音,语调问题被发现时,单位被暴露在辐射排放1.2 ghz 1.4 ghz。原IC不再可用经过10年多的服务时间。新的集成电路是基于ARM架构和由3.3 v。

确定共振结构

原IC和取代它的小的子板如图4所示(a)和(b),分别。子板的背面显示销腿也弯曲90度的连接点,这不可避免地引入电感在两块板之间的连接。

子板(大约374毫米²区,5毫米距离主板)形成一个电容约1 pF(基于简单的C =ε方程₀ε_R/ h)。长期跟踪从子板到主板很容易有一个10 nh电感。这个董事会的self-resonance估计为1.5 ghz,表明系统更可能是免疫力问题在这个频率范围。

图4原始IC (a) (b)的新子板(c)销腿子板的背面

测量

相同的方法与前面的案例研究可以用来识别/定位结构共振。作为一个探测器子板周围的实地调查,在跟踪发生器结果中可以看到频率范围导致免疫力问题(参见图5)。

图5谐振点确定

另外,如果一个频谱分析仪不可用,可以使用一个信号源的产生在感兴趣的频率范围内的信号(在本例中频率高达2.1 ghz)和高带宽示波器(至少1 ghz的在这种情况下),连同两平方磁场循环。设置如图6所示,其中一个磁回路用于生成子板频率范围很广的噪音,和其他磁回路被放置在0 v跟踪在主板上。射频噪声达到共振频率时,可以看到突然跳振幅的信号在示波器测量。跳在共振频率振幅表示,两块板之间的“地面反弹”变得更加明显。磁场回路基本上拿起通过相互之间的电感耦合噪声跟踪和循环的一边。一个谨慎使用这种方法是意识到两者之间的近场耦合磁场探测器。

图6另一个设置使用两个磁场探测器,射频源和高带宽示波器

问题,挑战和解决

结构共振的问题之一在一个免疫测试一旦射频能量吸收结构、射频电流开始流动的痕迹多氯联苯。一个特定的问题是“地面反弹”由共模电流引起0 v之间的子板和主板。事实上,它被认为这是主要问题导致这种产品的语调变化问题,由于扬声器的驱动级相当薄弱,没有主板设计地平面。

这里的挑战是,在如此高的频率,测量“地面反弹”是极其困难的,尤其是在高频率的精密测量设备不可用。试图测量使用场效应晶体管调查可能不够1 pf电容(通常之际,场效应晶体管的固有电容探针)在1.3 ghz的阻抗为122欧姆。使用一个典型的被动探测是一个没有去,因为10 pf(通常是高阻抗的固有电容被动探测)在1.3 ghz只有12欧姆。使用被动探测,事实上,即使是最短的,提供了一个完美的路径之间的两个0 v测试下。因此,免疫力问题“神奇”消失,一种体验,可以很沮丧,即使是经验丰富的工程师。这是在一个视频[9]。

在产品方面,约束:

1. 主板是许多年前设计的,它只是一种双层PCB,没有地面/动力飞机。这个修订的设计不能改变。
2. 制造商已经制造成千上万的女儿。摆脱他们将是昂贵的,也没有良好的精神环境。
3. 选项来解决这一问题需要具有成本效益的,这通常是体积的要求制造商。

缓解方法,介绍了在以前引用的文献在此设计应用。结果和评论了表1。没有一个方法似乎很好地工作,与表中列出的方法需要密集的手册在装配过程工作。

一个有效的方法,事实证明,是插入一个灵活的EMI吸收器表之间的多氯联苯(如图7)。16针需要穿孔为了插入子板(一些生产可以做额外的成本)。一个人是否可能只是把表上的女儿董事会将做这项工作。答案是否定的,之间的共振是导致多氯联苯。因为有很多吸收器表,选择应该集中在感兴趣的频率范围和深度的衰减这些材料(通常更厚的表执行得更好)。

另一种方法,这很类似于前面讨论过的方法,是使用连接器EMI抑制板。Fair-Rite发生相同的部分销与原始IC布局(也适合高度)。因此,它可以被视为一个替代方法;需要两个板块来实现所需的衰减:参见图7 (c)。

表1要解决这一问题的一些选项

选项	描述	结果和评论
子板电容击剑	把多个22 pf和10 pf高频mlcc女儿董事会;这个想法是为了提高解耦	没有工作在这种情况下,因为没有女儿董事会地平面。噪音还前往别针。
子板应用盾牌	把盾牌和债券它为0 v女儿董事会或主板	没有工作,因为女儿板和主板有地面/平面;没有“安静”与射频屏蔽参考。
阻尼电阻组件的共振	有一个0 v两板之间的连接;然而,还有另一个0 v点女儿董事会可以通过电阻连接到主板	50欧姆连接在另一角落的女儿。有改善,但还不够好。较低的电阻值等20欧姆可能是一个更好的选择。

图7(a)插入一个EMI吸收表之间的多氯联苯(b)放大视图(c)两个EMI抑制板块从Fair-rite被用来实现衰减

结论

本文综述结构共振和EMI影响工作。的方法来识别和定位结构共振,挑战了,修复建议使用实例。

引用