显示器产品辐射发射（RE102）问题整改案例与关键技术仿真分析

公司：深圳市赛盛技术有限公司作者：秋月春风时间：2019/11/22

一、现象描述

1. 产品信息

某显示器产品，输入电压：28VDC；对外接口：28VDC，1553B，光纤，离散量，RS422，RS429等。

表 1 供电特性

额定电压	电压范围	最大电流	备注
28VDC	NA	15A

表 2 接口特性

接口名称	工作电压	接口类型	电缆类型	备注
28VDC	28VDC	连接器	非屏蔽线	共用连接器
1553B	NA	连接器	屏蔽线	共用连接器
光纤	NA	连接器	非屏蔽线	共用连接器
离散量	NA	连接器	屏蔽线	共用连接器
RS422	NA	连接器	屏蔽线
RS429	NA	连接器	屏蔽线

图 1 显示器接口示意图

2. 试验要求

试验标准：GJB 151B-2013

试验要求：电源线为非屏蔽线，信号线为屏蔽线

表 3 试验标准

测试项目

测试标准

测试规格

测试方法

RE102

GJB 151B-2013

2-10 MHz 34dBuV/m

10-100 MHz 24dBuV/m

100-1000 MHz 24~44dBuV/m

1-18 GHz 54-79dBuV/m

拉杆天线

双锥天线V/H

对数天线V/H

喇叭天线V/H

3. 问题描述

显示器产品依据GJB 151B-2013标准测试RE102辐射发射项目，测试结果FAIL，测试布置及数据如下图所示。

图 2 测试布置图

表 4 原始测试数据

序号	测试频段	测试曲线
1	拉杆天线 2-30 MHz
2	双锥天线 V/H 30-200 MHz
3	对数天线 V/H 200-1000 MHz

二、原因分析

1. RE102辐射问题分析

RE102辐射超标问题主要有：低频段11-22 MHz包络、高频段54MHz倍频毛刺，详细情况如下表：

表 5 RE102超标问题分析列表

序号	问题描述	频点特征	干扰分析	下一步动作
1	拉杆天线： 11-22 MHz 包络超标，14.81MHz超标21.18dB	宽带包络	包络可能由电源噪声通过线缆耦合辐射发射	排查关键频段干扰由哪根线缆耦合，关键干扰源由哪部分电路产生
2	双锥天线： 108MHz超标20.07dB	窄带毛刺	108MHz、270MHz、324MHz均为54MHz倍频，推测尖峰由时钟信号透过结构缝隙泄露	排查PCB与54MHz频率相关时钟走线
3	对数天线： 270MHz超标9.45dB，324MHz超标7.27dB	窄带毛刺	108MHz、270MHz、324MHz均为54MHz倍频，推测尖峰由时钟信号透过结构缝隙泄露	排查PCB与54MHz频率相关时钟走线

采用频谱仪进行初步定位分析，寻找辐射天线与辐射路径，对每根线缆进行测试，包括电源线和信号线，不包括光纤线缆，情况如下：

表 6 频谱仪定位数据

序号	卡环卡线位置	测试数据
1	端口1线缆（28V正负、1553B）
2	端口2线缆（光纤）注：正常情况下，光纤线缆无辐射问题，卡环测试有噪声，主要原因：卡环靠近连接器端口，噪声通过端口泄露，磁力线穿过卡环导致
2	端口3线缆（离散量、422、429）

l 初步测试定位结论：

①　拉杆天线11-22MHz包络是由电源线缆和离散量线缆辐射；

②　双锥天线108MHz是通过屏缝隙泄露，显示屏右下角、左下角缝隙泄露值最大；168.6MHz包络是由离散量线缆辐射。

根据之前测试定位结论，对PCB板电源电路等进行逐个排查，寻找辐射超标问题点的噪声源头，情况如下：

表 7 测试定位过程数据

序号	定位措施	测试波形
1	断开28V转28V电源模块，使用跳线短接，18MHz附近包络下降明显
2	在28V正负分别对PGND跨102 Y电容，11.295MHz附近包络整体下降14dB

l 最终测试定位结论：

①　 14.81MHz包络超标主要是由28V转28V电源模块导致；

②　 54MHz倍频毛刺由显示屏泄露，将显示屏面调转方向，高频毛刺下降明显；详细检查原理图和PCB设计，发现DVI时钟电路晶振频率为27MHz，PCB表层存在至少4000mil长距离走线。

2. 时钟表层走线长度对EMI的影响仿真分析

由上面的分析可知，窄带噪声主要是由于PCB上的时钟电路、时钟信号导致，因此对PCB板的时钟走线的EMI影响进行仿真分析，主要结论如下：

表 8 时钟表层走线长度对EMI的影响分析

1	仿真模型
2	仿真设置
3	仿真结果
4	分析结论	1) 随着时钟线表层走线长度的减小，3m远场辐射最大点向高频移动； 2) 当表面走线长度为700mil时，最大谐振点在1GHz，当表层走线长度为700mil及以上时，最大辐射点均移到1GHz以上，而1GHz以上EMI限值不以准峰值而为限值（注：通信产品，1GHz以下以准峰值为限值；军工产品，1GHz以下以峰值为限值；表层走线仿真更多是说明EMI规律），而以平均值为限值更容易通过，故表面时钟走线长度应≤700mil，但600mil时最大辐射超过60dBuV/m，而500mil时辐射峰值低于60dBuV/m ，因此表面时钟走线长度应≤500mil。

3. 总结：

1) 毛刺：

DVI时钟电路信号PCB表层走线，显示屏与箱体结构件搭接处有缝隙，导致高频噪声泄露。

2) 包络：

①　原理图设计不合理：经判断28V->28V电源模块干扰较大，28V->28V输出端口应增加共模电感滤波；28V->28V，28V->5V两电源模块输入端口并行有共模电感滤波，可删掉1个，输入端口可共用1个共模电感滤波；

②　布局设计不合理：输入共模电感前后存在交叉干扰；28V->28V，28V->5V两电源模块输出存在交叉干扰；

③　布线设计不合理：电源噪声通过完整地平面耦合到对外端口线缆，导致辐射超标。

三、措施与方案

1．两电源模块并行输入共模电感合二为一（28V->28V，28V->5V两电源模块输入端口取电位置相同，从EMC角度看，合二为一对滤波电路插损不影响，同时节省空间有利于单板布局布线优化），在28V->28V电源模块输出增加共模电感滤波（测试定位发现28V->28V电源模块干扰很大，28V->28V为外购电源模块）；

表 9 两种原理框图对比

原理框图
假设	电源模块1裸噪声为A，电源模块2裸噪声为B，滤波器插损为C；
输入端口噪声	电源模块1传导到输入端口噪声为A-C，电源模块2传导到输入端口噪声为B-C，最终两者取最大值；	电源模块1和电源模块2噪声取最大值A或B，传导到输入端口噪声为A-C或B-C，两者取最大值；
总结	最终对EMC有决定性影响的是输入端口噪声，两种电路框图，从EMC角度看，效果是一样的。

2．调整电源板两电源模块布局，使整个大电流走势最顺，输入输出不相互交叉；

表 10 电源板布局示意图

优化前电源板布局	优化后电源板布局

3．取消地平面铺铜，滤波器、共模电感前后Y电容在单板上分地处理，分别通过螺钉锁至机壳地；

表 11 电源板铺地&接地处理示意图

优化前铺地处理

优化后接地处理

ü 整个单板全铺地；

ü 去掉整个单板铺地；

ü 共模电感、滤波器前后Y电容在单板上不建立连接关系，分别通过螺钉锁至机壳地；

ü 调整PCB布局，使滤波前后不相互交叉，电源模块输入输出不相互交叉，两电源模块之间不相互交叉。

4．将母板第二层和倒数第二层设置完整地平面，将时钟信号CLK和高速信号线打过孔移至PCB内层，在地平面边沿每隔100mil打地过孔对内部高速信号和铭感信号进行屏蔽。

四、试验结果

试验结果PASS，测试数据如下图。

表 12 优化后测试数据

序号	测试频段	测试数据
1	拉杆天线 2-30 MHz
2	双锥天线V/H 30-200 MHz
3	对数天线V/H 200-1000 MHz	注：对数天线水平测试PASS，后面没有进行补充验证测试