PCB, 灌孔(Via), 屏蔽, 時鐘訊號, 與接地對天線靈敏度之剖析與研究

1、Radiation from PCB and Via由1-3可知，電流流經金屬導體，便會產生寄生電感，而由于現今數字IC的切換速度越來越快，因此在電壓切換瞬間所產生的瞬時電流，也越來越大，如下圖:這使得數字IC的切換噪聲，也越來越大。雖然由天線理論可知，IC本體因為尺寸過小，所以其輻射效率很差5，換言之，IC本體很難將其噪聲有效輻射出去，但由下圖可知，PCB本體可以充當天線，進而將數字IC的切換噪聲，有效輻射出去，若干擾到天線本身，則靈敏度就會變差6，因此需針對此議題，做一番研究與探討。下式是共模噪聲的輻射場強10-12 :f是頻率，L是其導體長度，r是輻射源與Receptor的距離，IC是電

2、流強度。由上式可知，當頻率越高，其輻射強度就越大，雖然前述已知，IC本體不會是個有效輻射體，但由于現今的PCB，幾乎都是多層板，亦即層與層之間的距離越來越薄，因此層與層之間，會形成導波管結構，如此便構成了有效的輻射體，如下圖其等效電路如下4 :而我們由4可發(fā)現，若我們將PCB本體當天線來分析，會發(fā)現Decoupling電容的數量越多，其輻射效率越低，如下圖 :而由輻射干擾的角度來看，也確實，Decoupling電容的數量越多，其輻射干擾越低，如下圖 :因此我們得到一個結論，Decoupling電容確實可抑制PCB本體的輻射能力，數量越多，抑制能力越好。而若以阻抗觀點分析，發(fā)現主要是因為Deco

3、upling電容，會使PCB整體阻抗的電容性增強，以至于阻抗下降，如下式 :而Decoupling電容數量越多，其阻抗就下降越多，由實際量測結果也證實這點，如下圖4 :而我們由傅立葉變換可知，若頻率越高，則電流變化越快。若依照電磁波理論，亦即越容易產生輻射，如下圖9 :由9可知，Via也是個有效的輻射源，由前述已知，若整體阻抗越大，則輻射效率越好，因此倘若Via的孔徑越細，或長度越長，那么輻射效率就越好。而由仿真結果看來，發(fā)現其Via處的電流強度，也確實最強9。因此一些高速數字訊號，盡可能不要打Via穿層。而由天線互易定理可知，一個良好的發(fā)射天線，也會是一個良好的接收天線，換言之，Via會很容

4、易接收外來輻射噪聲。所以訊號Via，除了周遭要用GND包好外，也必須要多打GND Via。XTAL Oscillator由10-11可知，CLK訊號，其倍頻會干擾接收訊號，導致靈敏度下降，以MTK平臺為例，最常使用26 MHz的CLK，而在該案例中，一些Channel被干擾，其頻率也確實是26 MHz的倍頻，如下圖 :因此我們在下圖C607跟C608，擺放Bypass電容，以濾除噪聲。其量測結果如下 :由上圖可發(fā)現，加了12 pF的落地電容，靈敏度反而比原來還差。但12 pF落地電容的頻率響應如下圖 :我們可以發(fā)現，12 pF落地電容，其實在上述這些Channel，都有抑制噪聲的能力，但實際上

5、量測結果卻不如預期，這主要是因為，在做仿真時，固然可以將組件本身的寄生效應考慮進來，如下圖 :但實際上PCB走線本身也會有寄生效應，但這部份仿真時無法考慮進來，如下圖 :因此導致量測結果卻不如預期，所以仍需依實測結果，對落地電容值做微調。另外由(12 pF + 33pF)的量測結果發(fā)現，在DCS 1800的Ch716，其靈敏度特別差，比單一顆12 pF，單一顆33 pF，甚至是原本什么都不加的情況還差。這主要牽扯到反諧振3-5，由12 pF 跟33 pF的落地電容頻率響應可知，在1795 MHz之處，會有其交叉點，因此(12 pF + 33pF) 的落地電容頻率響應，在1795 MHz會產生反

6、諧振，而DCS 1800的Ch716，其頻率為1846 MHz，正好很接近反諧振之處，因此若要同時使用二個甚至多個落地電容時，需考慮到反諧振的因素。在1-3中，我們知道串聯磁珠或電感，也是抑制噪聲的方法之一，然而由量測結果發(fā)現，在R605跟R607擺放磁珠后，其靈敏度卻反而變差，如下圖 :由1-3可知，磁珠與電感抑制噪聲的原理不同，電感是利用其高感抗，將噪聲反射回去，而磁珠是利用其電阻性，將噪聲轉換成熱能，如下圖 :換言之，在抑制噪聲的效能上，必須將磁珠以電阻看待。同時由1-3可知，CLK訊號需以電阻做阻抗匹配，否則會因阻抗不匹配而使波形失真，以及產生輻射干擾，如下圖 :因此終端電阻值，就顯得

7、很重要。因此R605跟R607之所以擺放磁珠后，其靈敏度卻反而變差，有可能是因為該磁珠的電阻值，使CLK訊號的阻抗偏離，產生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此如前述的落地電容一般，仍需依實測結果，對磁珠值做微調。Shielding and GNDing另外由13可知，IC本體因為尺寸過小，所以其輻射效率很差，換言之，IC本體很難將其噪聲有效輻射出去，但由下圖可知，PCB本體可以充當天線，進而將噪聲有效輻射出去，若干擾到天線本身，則靈敏度就會變差，如下圖 :更何況由下圖可知，其DDR與CPU的IC本體都不算小，換言之，其IC本體與周遭的PCB，都有將高速噪聲輻射出去的能力。甚至由13可知，倘若有

8、高速數字訊號的灌孔，這些灌孔也會產生輻射干擾。因此在Shielding Cover開孔處，貼上導電泡綿，或是貼上銅箔甚至直接將Shielding Cover開孔處改為閉合，都有助于屏蔽噪聲，避免產生輻射干擾，使靈敏度下降。而SD Card也是高速噪聲來源，因此倘若Shielding Frame吃錫不良，同樣會使其高速訊號泄漏輻射出去，干擾天線造成靈敏度下降。此時可能需透過微調工廠SMT制程的方式，來加強Shielding Frame的吃錫。而LCM的FPC Connector，也是常見噪聲來源之一。當靈敏度劣化時，可仿照10的實驗手法，先導電貼布貼在FPC Connector，除了屏蔽作用外，

9、也可使其輻射噪聲都透過導電貼布流到GND，而不會去干擾天線的接收訊號，使其靈敏度下降。如果該實驗手法能使靈敏度有所改善，那證明噪聲來源是來自FPC Connector，再針對該處及相關電路，導入解決方案即可。當然PCI-E的Connector，也是常見噪聲來源之一，因此用銅箔加以屏蔽，并使其輻射噪聲都透過銅箔流到GND，也有助于避免輻射干擾使靈敏度下降。而以導電貼布，加強FPC的接地，也有助于輻射干擾的抑制。或是LCM上黏貼兩片雙面導電膠，加強接地，也能改善靈敏度。而由10-13可知，共模噪聲的輻射場強如下式 :f是頻率，L是其導體長度，r是輻射源與Receptor的距離，IC是電流強度。雖然

10、理論上電源為直流，頻率為零，依據上式，是不會有輻射場強，但實際上只要有負載，電壓就會有Ripple，就不會是純DC，頻率不會為零，而PCB走線本身會有等效電阻，換言之，任何一條電源走線，都可能會引起輻射干擾，加上電源走線的電流強度很大，因此是很強的輻射干擾源，倘若走線在表層，且長度又過長，那么其輻射干擾會更加強大，如下圖 :因此一般而言，電源走線最好走內層，倘若不得已要走表層，至少不要走板邊，長度不要過長，倘若還是無可避免，可以在表層的電源走在線貼銅箔，屏蔽其輻射干擾。然而該注意的是，貼上銅箔前，需先將PCB的表層絕緣漆，一部分用小刀刮開，使其鋪銅能露出，這樣才能將電源走線產生的輻射干擾，都流

11、到GND，以達到抑制輻射噪聲的效果。因為前述已知，任何金屬沒接地，就是天線，且尺寸越大，輻射效率越好，換言之，倘若沒讓銅箔做上述接地的動作，則該銅箔反而會是個輻射效率佳的天線，此時不但無法抑制輻射干擾，反而可能使其更加惡化，因此需特別注意。但有一點需特別注意，這方法只能適用于不需阻抗控制的走線，如電源走線或控制訊號，若需作阻抗控制的高速訊號線，如MIPI, USB, PCIE等，或是RF走線，則不宜用該方法，因為寄生效應會使阻抗偏離。High Speed Digital Signal由16可知，由于高速訊號的波形，會趨近于方波，因此在頻域上，會有大量的輻射噪聲，如下圖 :而這些高速噪聲，在PC

12、B會有頻率響應，亦即不同頻率點，其噪聲的強度也有所不同16。CLK訊號，其倍頻會干擾接收訊號，導致靈敏度下降，而前述已知，其CLK訊號所產生的噪聲，在PCB會有頻率響應，因此也可透過改變CLK訊號的頻率，來緩和該問題，下圖是將LCM的CLK，由43 MHz改成54 MHz的量測比較 :由上圖可以看到，改為54 MHz后，原本Fail的Channel變Pass了，但此時改為54 MHz倍頻的Channel Fail了，但很重要的一點是，相較于43 MHz倍頻的Channel，54 MHz倍頻的Channel，其劣化程度比較小，亦即緩和了該問題。 所以我們可以透過改變CLK頻率的方式，先將問題緩和

13、，那么接下來要解噪聲就比較好解。而因為Camera跟FPC，都是常見的輻射干擾來源，因此Placement時，盡可能遠離天線，避免其噪聲直接耦合到天線，使靈敏度下降。而也因為Camera是常見的輻射噪聲來源，因此可在其Camera電源VREG，以及MCLK上，擺放Bypass電容，由下圖可知，在這兩處擺放了39 pF后，其靈敏度以改善許多。而上圖的MCLK，因為有C1820跟C1821兩個落地電容可擺放，而由下圖也可看出，擺放兩個39 pF，其噪聲的抑制能力更好，因此可同時擺放兩個39 pF，來加強噪聲的抑制能力。當然，原則上可在R1811處，再擺放磁珠，進一步加強噪聲抑制能力，但前述已知，磁

14、珠的電阻值，可能會使CLK訊號的阻抗偏離，產生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此需特別注意。還有一點需注意的是，C1820跟C1821，需各別獨立下Main GND，不可在表層共地，否則不但不會使噪聲流到Main GND，反而會使其又竄回MCLK上，導致完全無噪聲抑制能力?；蚴窃贑amera的差分MIPI訊號上，添加EMI Filter，來抑制共模噪聲15。當然由10-11可知，其EMI Filter的電阻，有可能會使CLK訊號的阻抗偏離，產生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此需特別注意。至于EMI Filter的挑選事項，詳情可參照1-3，在此就不贅述。另外，由于天線附近，常會擺放LED，其

15、控制訊號產生的的噪聲，也可能會耦合到天線的接收訊號，導致靈敏度下降。因此在Placement時，同前述的Camera跟FPC，盡可能遠離天線?；蚴窃谄淇刂朴嵦柹?，擺放落地電容，以達到抑制噪聲之效，進而改善靈敏度。而由14可知，Qualcomm平臺的GP_Syn，GP_Clk (57.6 MHz)，N-pler (57.6 MHz)，也是常見的噪聲來源，因此需特加注意。Reference1 上集_磁珠_電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫2 中集_磁珠_電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫3 下集_磁珠_電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫4

16、 EMI Prediction Methodology for PCB Excited by. Switching Noise of IC5 Fundamental Dimension Limits of Antennas6 GSM射頻接收機靈敏度之解析與研究, 百度文庫7 Proper Stack-Up in a Multilayer PCB to Reduce Noise Coupling and ImproveEMI8 Field and Wave Electromagnetics,9 Radiation from Edge Effects in Printed Circuit Boards (PCBs)10 手機耦合靈敏度劣化(De-sense)之一些原因分析與改善對策, 百度文庫11 高速數字訊號對于手持產品天線靈敏度之影響與探討, 百度文庫12 避免FM訊號靈敏度劣化(Desense)之防治措施_以MT6616平臺為例, 百度文庫13 PCB與灌孔(Via)產生輻射干擾之機制與原理探討, 百度文庫14 GSM Troublesho