结构共振:识别、定位和修复电磁干扰问题的方法

在我的咨询工作中，我注意到辐射发射(RE)和辐射免疫(RI)对我的大多数客户来说已经成为更加普遍的问题。这有几个原因，其中包括转向更紧凑的设计，更便携的产品，以及数字逻辑电平的噪声边际随着电源电压的降低而继续降低(使用基于ARM架构的流行意味着3.3V系统取代5V系统)。

RE和RI失败的根本原因可能是糟糕的布局设计、未屏蔽的噪声节点、噪声耦合电缆等。其中，较高比例的失效与系统中的结构共振有关。结构共振可能发生在两个系统通过电缆连接的大型系统中，或安装在主PCB上的小型子板中。在大多数情况下，结构共振在其谐振频率引起辐射发射失效，由于相互作用，它们也不能在同一频率范围内进行辐射抗扰度测试。(互易性意味着如果一个结构辐射良好，那么它也会很好地吸收能量，反之亦然[1]。)

以前在这个问题上已经做了大量的工作。在[2]中，演示了平面共振和腔共振，并给出了实例来说明共振背后的物理原理。[3]涵盖了谐振背后的传输线理论，并给出了各种例子来说明这一点。史密斯的网站[4]有超过10篇关于共振结构的短文(他称之为技术花絮)，主要是关于使用磁场环的测量技术。其他测量共振的方法包括使用频谱分析仪和天线[5]。[1]-[5]中也有固定共振的方法。

固定共振最有效的方法是阻尼(通过使用多个连接或电阻连接)，铁氧体方法(再次使用铁氧体的电阻部分而不是感应部分作为纯电感产生反射)，应用EMC屏蔽(取决于地面结构，我们将在后面讨论)，或简单地重新设计(通常说起来容易做起来难)。

本文介绍了该领域的一些案例研究;我已经尝试了文字综述中介绍的所有方法，并使用了最具成本效益(无论是在财务方面还是在时间框架上)的方法来识别和定位共振结构。解决这个问题取决于产品设计，因为通常会有很多限制。解决这个问题最具成本效益的方法就是不懈地尝试不同的方法。

案例研究1 -与mosfet相关的辐射发射

识别共振结构

一个DC-DC变换器在EMC测试期间经历了传导和辐射发射。由于它是开关模式电源(SMPS)，经验告诉我们，开关节点(与开关设备和布局相关)通常是罪魁祸首。本产品中使用的开关器件是TO-247封装中的mosfet。

[6]从EMC的角度介绍了使用表面安装开关而不是通孔设备的优点。基本上，to -247封装的长引线引入了大约10nH的电感，以及MOSFET的自电容(在这种情况下估计为4nF)，因此形成了一个lc槽电路。在开关事件中观察到的振铃显示了20MHz的谐振频率，并且它与在传导发射测试中观察到的故障很好地吻合。

该装置在250和360兆赫的辐射发射测试中也未通过。对MOSFET布局的目视检查(见图1)显示PCB有一个与MOSFET冷却垫相同大小的切割区域，因此MOSFET可以通过通过PCB切割区域的螺钉连接安装到散热器上。(这是机械团队的梦想，但却是EMC的噩梦)。这种设计的另一个“有趣”的特点是，mosfet和PCB切割区域都位于PCB的边缘，因此它们可以非常有效地辐射。这个结构很容易像我们预期的那样产生共鸣。

数字1: PCB边缘的mosfet，其中切割区域设计为允许螺钉将mosfet安装在散热器上(a)前视图(b)后视图

观看方式

在可用于测量结构共振的技术中，[7]中介绍的方法可能是最简单和最便宜的设置。网络分析仪或带有跟踪生成器的频谱分析仪可以完成这项工作。方向耦合器(如迷你电路ZFDC-20-5+或ZFDC-10-5+)需要与频谱分析仪一起工作，而网络分析仪则不需要方向耦合器(因为它可以确定回波损失)。

其基本思想是，一个小环路根据其环路面积辐射射频能量。由于这种情况下的面积很小，它只会在3 GHz以上有效地辐射。在此频率以下，大部分射频能量由于反射而反弹回来。定向耦合器引导一些反射能量，因此人们期望在跟踪生成器结果上看到平坦的曲线。然而，如果环路接近谐振结构，射频能量可能被该谐振结构吸收，导致频谱分析仪跟踪生成图结果下降。请参见[8]中的视频演示。

图2显示了测试设置(带有频谱分析仪、定向耦合器和屏蔽磁环)。屏蔽回路被认为在这种测试中表现更好，因为它避免了回路本身的电容耦合。但是，在现实中，屏蔽和非屏蔽环在大多数情况下都工作得一样好。

数字2:使用[7][8]中介绍的技术，在频谱分析仪跟踪发生器的结果中可以很容易地看到谐振点。在这种情况下，两个未能通过辐射发射测试的谐振点都被定位了。

修复

由于问题是后期发现的，并且测试的系统比较大(PCB只是系统的一部分)，所以重新设计PCB是不可能的。然而，有两种降低共振影响的经济有效的方法。

1. 在晶体管腿上放一个有损耗的小方环芯通常对解决这类问题有好处。这是一种在20世纪90年代使用的技术，但它仍然存在于今天的设计中:参见图3(a)。核心增加电感，但环阻尼。因此，共振的频率和振幅下降。此外，方形线圈材料延迟电流上升，使开关更柔和。
2. 在器件和PCB之间插入电磁干扰柔性吸收片可以有所帮助。现代吸收板通常具有高渗透性，可以作为良好的热传导材料，因此它们非常适合这种应用。

数字3.(a)通孔器件排水引线上的小损耗环芯(b)柔性电磁干扰吸收片有时也具有良好的导热性

案例研究2 -更换IC引起的辐射免疫

改造一个新的IC来取代现有产品中的旧技术通常不像听起来那么容易。可能会出现功能不可靠或导致EMI问题等问题。通常这种故障是在原来的IC在市场上不再可用后才发现的。

在以下示例中，当一家公司发现他们设计并安装在原始IC引脚位置上的新IC子板存在辐射免疫问题时，他们感到惊讶。由于该产品是一种声音产品，当设备暴露在1.2GHz至1.4GHz的辐射辐射下时，就会发现音调问题。原来的IC在使用超过10年后不再可用。新集成电路基于ARM架构，采用3.3V电源。

识别共振结构

图4 (a)和(b)分别显示了原来的IC和取代它的小子板。从子板的背面可以看出，销腿在连接点上也是弯曲90度，这就不可避免地在两块板的连接中引入了电感。

子板(约374毫米²面积，5毫米的距离主板)形成的电容约为1 pF(基于简单的方程C=ε₀ε_R/ h)。从子板到主板的长迹线很容易有10nH的电感。然后估计该板的自共振为1.5GHz，表明系统在此频率范围内更有可能出现免疫问题。

数字4(a)原始IC (b)新子板(c)子板背面的引脚

测量

与前面案例研究相同的方法可以用于识别/定位结构共振。当在子板周围探测场探头时，可以在导致抗扰度问题的频率范围内看到跟踪生成器结果的下降(参见图5)。

数字5识别出谐振点

或者，如果没有频谱分析仪，可以使用能够产生感兴趣频率范围内信号的信号源(在这种情况下频率可达2.1GHz)和高带宽示波器(在这种情况下至少为1GHz)，以及两个方形磁场环。设置如图6所示，其中一个磁环用于在子板上产生宽频率的噪声，另一个磁环位于主板上的0V迹线旁边。当射频噪声达到谐振频率时，人们可以看到示波器中测量到的信号振幅突然跳变。振幅的跳跃表明在共振频率下，两块板之间的“地面反弹”变得更加明显。磁场回路基本上通过迹线和回路一侧之间的相互感应耦合来拾取噪声。使用这种方法的一个注意事项是要注意两个磁场探头之间的紧密场耦合。

数字6另一个设置使用两个磁场探头，一个射频源和高带宽示波器

问题、挑战和解决方案

在抗扰度测试中，结构共振的问题之一是，一旦射频能量被结构吸收，射频电流就开始在pcb的痕迹上流动。一个特别的问题是由共模电流在子板和主板的0V之间流动引起的“地反弹”。事实上，人们认为这是导致该产品音调变化问题的主要问题，因为扬声器的驱动级相当弱，而且主板设计上没有接地平面。

这里的挑战在于，在如此高的频率下，测量“地面反弹”是极其困难的，特别是在没有高频精密测量设备的情况下。试图用FET探头测量这一点可能不够好，因为1pF电容(通常是FET探头的固有电容)在1.3GHz的阻抗为122欧姆。使用典型的无源探针是行不通的，因为1.3GHz的10pF(通常是高阻抗无源探针的固有电容)只有12欧姆。事实上，使用无源探针，即使是最短的引线，也能在被测板的两个0V之间提供完美的路径。因此，免疫问题“神奇地”消失了，即使是经验丰富的工程师也会感到非常沮丧。视频[9]演示了这一点。

在产品方面，约束条件是:

1. 主板是多年前设计的，它只是一个没有接地/电源平面的2层PCB。这次修改不能更改设计。
2. 制造商已经生产了数万块子板。清除它们将是昂贵的，而且对环境也没有好处。
3. 解决这个问题的方案需要具有成本效益，这通常是批量制造商的要求。

在此设计中应用了先前参考文献中介绍的缓解方法。结果和意见显示在表1．这些方法似乎都不太好用，表中列出的方法在装配过程中需要大量的手工劳动。

一种有效的方法是在pcb之间插入柔性EMI吸收板(如图7所示)。为了插入子板，需要打孔16个引脚(一些制造商可以在额外的成本下这样做)。有人可能会想，简单地把床单放在子板上是否就能做到这一点。答案是否定的，因为共振实际上是在pcb之间引起的。由于周围有很多吸收片，选择时应注重这些材料在感兴趣的频率范围和深度上的衰减(通常较厚的片性能更好)。

另一种方法，与上面讨论的方法非常相似，是使用连接器EMI抑制板。Fair-Rite恰好有一个部件与原始IC的引脚布局相同(高度也合适)。因此，可以考虑作为一种替代方法;需要两块板来达到所需的衰减:见图7(c)。

表格1一些解决问题的选项

选项	描述	结果与评论
子板上的电容fencing	在子板上放置多个22pF和10pF高频mlcc;这样做的目的是增强解耦	在这种情况下没有工作，因为在子板上没有地面平面。噪音仍然会传到球瓶。
在子板周围应用防护罩	在子板或主板上放置一个屏蔽并将其连接到0V	没有工作，因为子板和主板都没有接地/电源平面;没有“安静”的射频参考来连接屏蔽。
用电阻元件来阻尼共振	两个板之间有一个0V连接;然而，在子板上有另一个0V点，可以通过电阻连接到主板	在子板的另一个角上做了一个50欧姆的连接。有进步，但还不够好。一个较低的电阻值，如20欧姆可能是一个更好的选择。

数字7(a)在pcb之间插入EMI吸收片(b)放大视图(c)使用fairrite的两个EMI抑制板来实现衰减

结论

本文综述了结构共振及其对电磁干扰的影响。本文介绍了识别和定位结构共振的方法，讨论了所面临的挑战，并使用实际例子提出了修复建议。

参考文献