■ 文/公安部檢測中心 呂楊 王磊 韓井玉 韋靖 陳俊
PCB板晶振輻射騷擾的研究與整改
■ 文/公安部檢測中心 呂楊 王磊 韓井玉 韋靖 陳俊
目前,我國信息技術(shù)設(shè)備應(yīng)通過國家標(biāo)準(zhǔn)GB9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》規(guī)定的電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)。很多信息技術(shù)設(shè)備在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí),由于PCB電路板的晶振產(chǎn)生的諧波輻射騷擾超出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值要求,以至于設(shè)備無法通過該試驗(yàn)。因此,本文首先介紹了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9254-2008和電磁騷擾,然后分析了在PCB上如何對晶振布局設(shè)計(jì)才能避免產(chǎn)生干擾及其常用整改方法,通過研究和整改一個(gè)由晶振產(chǎn)生輻射騷擾的PCB電路板,最終實(shí)現(xiàn)該設(shè)備整改完成后滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試要求。本文也為其他不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)的設(shè)備如何進(jìn)行晶振整改提供了參考。
PCB 晶振 布局設(shè)計(jì) 整改 輻射騷擾
采用一定的技術(shù)手段,使同一電磁環(huán)境中的各種電子、電氣設(shè)備都能正常工作,并且不干擾其他設(shè)備的正常工作,這就是電磁兼容。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365-1995中對電磁兼容嚴(yán)格的定義是:設(shè)備或系統(tǒng)在其他電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。
信息技術(shù)設(shè)備主要會產(chǎn)生多種周期性的、二進(jìn)制脈沖型的波。這些波可通過電網(wǎng)電纜、信號線或其他導(dǎo)線,或者通過直接輻射的形式造成非期望的耦合而構(gòu)成對無線電接收的潛在干擾源。目前,我國依據(jù)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》中規(guī)定的試驗(yàn)方法對信息技術(shù)設(shè)備的輻射騷擾進(jìn)行測試,在標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定信息技術(shù)設(shè)備輻射出的能量不能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。
電磁騷擾,簡稱EMI,有傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾兩種。傳導(dǎo)騷擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生騷擾;輻射騷擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的騷擾信號通過空間耦合把騷擾信號傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。大多數(shù)的設(shè)備中都有類似天線特性的零件,如電纜線、PCB 布線、內(nèi)部配線、機(jī)械結(jié)構(gòu)等,這些零件透過電路相耦合的電場、磁場或電磁場而將能量轉(zhuǎn)移。電磁騷擾按騷擾的來源分類,可以分為自然騷擾和人為騷擾。自然騷擾包括雷電產(chǎn)生的騷擾和宇宙噪聲。人為騷擾是指在人類的生活、交融、生產(chǎn)、科學(xué)研究、軍事等活動(dòng)中產(chǎn)生的電磁騷擾。電磁騷擾按信號的功能可以分為功能性騷擾和非功能性騷擾。功能性騷擾是指設(shè)備正常工作時(shí)產(chǎn)生的信號對其他設(shè)備產(chǎn)生的騷擾。非功能性騷擾是指無用的電磁泄露產(chǎn)生的騷擾。
3.1 設(shè)計(jì)原則
石英晶片鍍上電極,安裝在一個(gè)支架上,然后封裝在一個(gè)金屬外殼,就變成了石英晶體諧振器,也叫晶振。晶振必須接入振蕩電路才有信號輸入,用于各種電路中產(chǎn)生振蕩頻率。
造成EMC輻射超標(biāo)的原因是多方面的,接口濾波不好,結(jié)構(gòu)屏效低,電纜設(shè)計(jì)有缺陷都有可能導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo),但產(chǎn)生輻射的根本原因卻在PCB的設(shè)計(jì)。最典型的輻射源莫過于晶振,每一個(gè)PCB工程師都知道晶振應(yīng)該遠(yuǎn)離I/ O接口,但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師所要求的PCB往往尺寸有限,器件繁多,于是在經(jīng)過種種考慮后,PCB工程師“不得不”把晶振放置在I/O接口處。不合理布局的晶振會造成很嚴(yán)重的影響,例如晶振距離I/O端口過近、晶振輸出端引線在PCB的表層上走了很遠(yuǎn)一段距離、晶振在PCB上的影射區(qū)域沒有完整的鋪銅、晶振距離電源輸入端口距離過近等,這些因素為晶振上的騷擾提供了傳播途徑,騷擾可以通過臨近的走線和電源線耦合到其他單板和電纜,同時(shí)還可以通過空間直接耦合到機(jī)盒外,引起輻射發(fā)射超標(biāo)。
因此,在晶振布局上,需要遵循以下原則:
1)盡量遠(yuǎn)離I/O接口和電源輸入端口;
2)晶振在PCB上的影射區(qū)域一定要鋪銅處理,其輸出端引線不允許走PCB的表層,應(yīng)走在內(nèi)層(如能再做包地走線處理則更為理想),切記不能在晶振擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地;
3)晶振不要靠近板邊。走等長線的部分周圍要留出足夠的空間(100M以上時(shí)鐘線必須拉圓弧線),點(diǎn)對點(diǎn)、菊花鏈結(jié)構(gòu)最常用;
4)晶振下最好不走線,尤其是高速信號線;
5)晶振的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置,兩者間的走線盡量短而直,且遠(yuǎn)離板邊;
6)晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,且靠近晶振擺放整齊緊湊。
3.2 整改方法
產(chǎn)生電磁干擾的3個(gè)要素為:
1)電磁騷擾源:指產(chǎn)生電磁騷擾的元器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。
2)騷擾信號耦合的通道:指騷擾信號傳播的途徑,包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。
3)對此類騷擾敏感的儀器設(shè)備:即被干擾體,指對此類騷擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。
晶振屬于產(chǎn)生電磁干擾的3個(gè)要素中的第一個(gè)要素,即電磁騷擾源。當(dāng)PCB板的設(shè)計(jì)和布局已經(jīng)完成,無法再進(jìn)行更改時(shí),如果經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁輻射超標(biāo),就需要對PCB板進(jìn)行整改,這時(shí)如果輻射超標(biāo)是由晶振產(chǎn)生的,就需要在不完全改動(dòng)PCB布局的情況下進(jìn)行電路整改,使電路板符合GB9254標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻射限值要求,通常針對晶振采用的整改方法如下:
1)晶振起振的電容是否匹配,如果不匹配,更換為匹配電容;
2)查看晶振外殼是否接地,如果沒有接地,需要將外殼接地,減小輻射;
3)晶振采取屏蔽措施,完全隔離騷擾源;
4)將晶振管腳連接電阻,減小晶振輸出的振動(dòng)能量。
這是一款基于STC89C52單片機(jī)的多功能電子萬年歷,由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫度采集模塊、時(shí)間處理模塊和調(diào)整設(shè)置模塊四個(gè)模塊組成。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制器,以串行時(shí)鐘日歷芯片DS1302記錄日歷和時(shí)間,它可以對年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí),還具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。溫度采集選用DS18B20芯片,萬年歷采用直觀的數(shù)字顯示,數(shù)據(jù)顯示采用1602A液晶顯示模塊,可以在LCD上同時(shí)顯示年、月、日、周日、時(shí)、分、秒,還具有時(shí)間校準(zhǔn)等功能。該萬年歷的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示:
該萬年歷的各個(gè)元器件的選型和走線之間的布局一定程度上會產(chǎn)生輻射,相應(yīng)的PCB圖如圖2所示:
單片主控電路的晶振的位置如圖中標(biāo)出的位置,該晶振為12MHz。對該裝置進(jìn)行測試,得到結(jié)果如圖3所示。通過圖中可以看出:已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值50μv/m,超出的頻率點(diǎn)主要為48MHz、84 MHz、96 MHz等,通過分析可知這些頻率點(diǎn)均為12MHz的晶振的諧波頻率點(diǎn),因此暫時(shí)確定為12MHz的晶振引起的輻射騷擾超標(biāo),整改的重點(diǎn)應(yīng)放在晶振上。參照之前所述的晶振整改方法,12M晶振的起振電容的值在20pf-33pf之間,此處使用的兩個(gè)電容均為20pf電容匹配,但是發(fā)現(xiàn)晶振的外殼未接地和屏蔽,因此采用接地和屏蔽殼將外殼屏蔽,進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖4所示。
由圖中可以看出,在一部分頻點(diǎn),通過接地和屏蔽,可以起到一定效果,但是無法完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求。因此在晶振上的兩端串接電阻,這里采用串接磁珠的方式。測試結(jié)果如圖5所示。
由圖中可看出,在采取了接地、屏蔽、串接磁珠的方式后,達(dá)到了測試的要求。
標(biāo)準(zhǔn)GB9254-2008規(guī)定的電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)是很多信息技術(shù)設(shè)備通過檢測的不可缺少的試驗(yàn)。很多設(shè)備在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí),都會出現(xiàn)由于晶振輻射過大,造成的試驗(yàn)不符合情況,因此作為干擾源的晶振的整改方法,就成為通過試驗(yàn)的關(guān)鍵鑰匙。設(shè)計(jì)之初,進(jìn)行PCB布局時(shí)就應(yīng)該充分考慮到晶振可能產(chǎn)生的各種問題,合理的PCB布局可以在一定程度上減小晶振帶來的輻射影響。在設(shè)備成型之后,采用相應(yīng)的晶振整改方法,可以降低晶振的輻射,對通過試驗(yàn)產(chǎn)生一定的幫助。其他設(shè)備晶振的設(shè)計(jì)和整改也可以參照本文的思路和方法,最終為成功通過試驗(yàn)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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