产品PCB搭接阻抗导致RE测试FAIL问题案例

公司：深圳市赛盛技术有限公司作者：秋月春风时间：2022/07/08

【现象描述】：

1、产品信息

音源器产品为塑料外壳，内部有3块单板，3块单板通过排线互连。对外端口、内部单板布局、接口特性，详见下图和下表：

图 1 对外接口

图 2 内部单板布局

表 1 供电特性

额定电压	电压范围	最大电流	备注
12Vdc		2A

表 2 接口特性

接口名称	工作电压	接口类型	电缆类型	备注
USB COMPUTER		连接器	非屏蔽线	可接入MIDI-USB线，进行PC播放和录制MIDI
MIDI OUT		连接器	非屏蔽线	使用打击垫触发外置MIDI音源或与音序器连接，进行MIDI输出
MIDI IN		连接器	非屏蔽线	通过MIDI音序器或打击垫控制触发音源器的音色
USB MEMORY		连接器	非屏蔽线	可连接USB闪存盘，可使用音源器播放内部的音频文件、导入鼓组，可以保存音源器导出的数据如鼓组参数等等
FOOT SW		连接器	非屏蔽线	连接外接脚踏板
AUX IN		连接器	非屏蔽线	连接外置音频设备（如手机、电脑、PAD、MP3等等）
MASTER OUT		连接器	非屏蔽线	连接音箱放大器，有节拍器效果。将连接线连接至L/MONO接口，输出MONO（单声道）声音
PHONES		连接器	非屏蔽线	连接耳机
DC IN 12V	12Vdc	连接器	非屏蔽线

2、试验标准

试验标准：EN 55032 CLASS B；

表 3 CLASS B辐射骚扰限值（10m）

频率范围（MHz）	准峰值限值（dBuV/m）
30-230	30
230-1000	37
备注：1）在过渡频率（230MHz）处应采用较低的限值；2）如果EUT内部源的最高频率低于108MHz，则测量只进行到1GHz；

3、现象描述

产品辐射发射（RE）天线垂直、天线水平测试FAIL，详细测试数据如下：

表 4 RE测试数据（3m）

RE	测试数据
天线水平
天线垂直

【根因分析】：

1、问题分析

² RE测试FAIL：

理论分析可能性：

1）外部线缆辐射；

2）壳体缝隙辐射；——塑料壳，此问题不涉及；

3）内部单板互连排线；

4）印制板自身辐射（走线、电源地平面、芯片本体等）；

验证措施：

1）通过镍锌磁环判断线束辐射路径；

2）壳体内部喷导电漆来判断印制板自身辐射问题；

3）线缆屏蔽判断线束辐射机理；

4）近场扫描或通过频谱仪判断印制板设计缺陷；

5）改变电路工作状态或更改电路判断噪声源电路；

6）接地调整优化判断地噪声的影响。

² RE问题定位分析过程如下表：

表 5 RE问题定位分析过程

EMC问题	理论分析可能性	下一步验证措施	验证结果	解决方案
RE测试FAIL	1）外部线缆辐射	1）在线缆上套镍锌磁环：如果有改善，可在端口位置进行高频共模电感滤波；如果无改善，则不是从该线缆辐射发射，不需要额外对此端口进行加强滤波。	1）12VDC线缆对测试结果有影响，但不关键； 2）耳机线对测试结果有影响，对83.8MHz包络影响比较大，对200MHz以后几乎无改善。	1）优化12VDC和耳机线端口滤波电路及参数。
	2）壳体缝隙辐射	2）产品为塑料壳，在塑料壳内部喷导电漆：有无改善可判断干扰是否有干扰通过壳体缝隙辐射	3）壳内侧喷导电漆，整体有10dB改善；	2）塑料壳内部喷导电漆（此方案不接受，未实施）
	3）内部单板之间互连线缆辐射	3）对线缆进行屏蔽，在线上套镍锌磁环：有无改善可判断干扰是否通过该线缆辐射；	4）磁环滤波效果非常明显	3）排线上增加磁环滤波（此方案不接受，未实施）
	4）单板印制线辐射	4）使用近场扫描诊断设备或者用频谱仪进行探测，如果单板网络和频点非常匹配，则在此网络对参考地跨滤波电容，电容大小根据信号工作频率确定	5）窄带噪声问题，为时钟或高速信号线导致	4）按照EMC标准电路进行设计整改，C或RC或CLC滤波； 5）对关键信号局部屏蔽（此方案不接受，未实施）。
	4）单板印制线辐射	5）改变电源电路，采用LDO实现取代DCDC电源，或者采用小干电池之间供电，观察关键包络变化；	6）200MHz左右包络问题，为12V转5V DCDC电源导致；	6）在DCDC电源位置开关管增加吸收电路； 7）优化PCB布局布线，保证关键动点面积和关键环路面积最小； 8）对关键电源局部屏蔽（此方案不接受，未实施）
	5）系统接地设计调整优化	6）层叠设计，完整地平面参考	7）完整地平面非常关键，影响比较大；	9）4层板更改为6层板，层叠设计，TOP(S1)-GND-S2-VCC-GND-BOT(S3)；
	5）系统接地设计调整优化	7）单板地之间多点连接；	8）多点接地非常关键，影响非常大，5点接地，测试PASS；3点接地，测试FAIL	10）上下单板通过铜柱多点接地。

2、测试验证

表 6 EMC整改测试数据记录

整改措施	测试数据
1）单板1、2、3参考地互连，单板多点连地（5个搭接点）； 2）内部互连线屏蔽并加磁环
1）单板1、2、3参考地互连，单板多点连地（3个搭接点）； 2）内部互连线屏蔽并加磁环
1）单板1、2、3参考地互连，单板多点连地（3个搭接点） 2）内部互连线仅屏蔽

图 3 产品内部单板互连关系

表 7 EMC测试定位结论

超标频段频点	干扰源	耦合路径	关键问题
200MHz左右包络超标	12V/5V DCDC电源	1）单板差模环路； 2） PCB印制线； 3）内部单板互连排线； 4）外部互连线；	1）3块单板共3个地网络：GND1，GND2，GND3； 2）单板1 GND1，单板2 GND1，单板3 GND1，地网络通过2根排线互连，存在比较大地阻抗； 3）单板1 GND2，单板2 GND2网络通过1根排线互连，存在比较大地阻抗； 4）单板2 GND3，单板3 GND3网络通过1根排线互连，存在比较大地阻抗；
84MHz、168MHz、420MHz频点超标	MCU工作频率（84MHz）倍频噪声
384MHz频点超标	MCU屏（16MHz）倍频噪声

3、耦合机理

天线耦合机理：

一般而言，实际的辐射骚扰大多数是通过电缆导线感应，然后沿导线传导进入接收器；或通过接收机的天线感应进入接收器；或通过接收器的连接回路感应形成骚扰；或通过金属机壳上的孔缝、非金属机壳耦合进入接收电路。因此，辐射骚扰通常存在4种主要耦合途径：天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。

图 4 天线耦合模型

假设干扰源（DCDC电源，时钟电路）都在单板1/2，负载都在单板3，差模干扰和共模干扰电流回路如下图所示；如果为差模干扰，排线位置也算是并行走线，距离EUT 3m或10m位置，空间矢量叠加为0，没有RE辐射发射超标问题；如果为共模干扰，排线每根芯线阻抗为r，在地线上建立的电压为Ugnd=r*（I1+I2+…+In），在其它芯线建立的电压为U1=r*I1，U2=r*I2，…，Un=r*In；相比地线，其它线缆产生的噪声电压相对小；将单板1/2/3地平面进行多点连接，即相互之间的地回路阻抗进一步减小，在地线上建立的噪声电压就很小，对外辐射就很小！