某單板TVS接地不當(dāng)造成輻射騷擾超標(biāo)問題分析

某單板TVS接地不當(dāng)造成輻射騷擾超標(biāo)問題分析**【摘要】**某產(chǎn)品EMC輻射騷擾測試超標(biāo)，通過近遠(yuǎn)場掃描配合定位分析，逐步找出騷擾源、傳播路徑，最終通過修改PCB走線切斷傳播路徑解決此問題。1故障現(xiàn)象某產(chǎn)品在進(jìn)行EMC研發(fā)摸底測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，整機(jī)輻射騷擾垂直方向測試超標(biāo)，超標(biāo)點(diǎn)頻率為150MHz，同時(shí)伴有20MHz間隔的脈沖騷擾。在實(shí)驗(yàn)室輻射騷擾的遠(yuǎn)場掃描圖（垂直方向）如下圖1所示：圖1某產(chǎn)品輻射騷擾遠(yuǎn)場掃描圖（垂直）2故障分析首先通過將系統(tǒng)單板逐一下電后掃描的排除法將150MHz頻點(diǎn)騷擾源定位在系統(tǒng)某單板上，該單板（后文簡稱A單板）在系統(tǒng)中完成的功能為時(shí)鐘及通信控制。A單板對外接口主要有以太網(wǎng)接口、光口和HDMI接口，其中HDMI接口為調(diào)試與時(shí)鐘級聯(lián)接口，輻射騷擾測試時(shí)不外接線纜。以太網(wǎng)接口測試時(shí)使用屏蔽網(wǎng)線通過電波暗室隔離底盤和輔助設(shè)備相連。拔掉A單板網(wǎng)線重新進(jìn)行測試，測試結(jié)果通過。但是從測試數(shù)據(jù)中可以看出，150MHz的騷擾頻點(diǎn)仍然存在，只是幅值降低了6.8dB。通過頻譜分析儀搭配近場探頭對單板進(jìn)行近場掃描，發(fā)現(xiàn)單板面板處靠近HDMI口和以太網(wǎng)口附近150MHz的騷擾較強(qiáng),同時(shí)單板保護(hù)地和屏蔽網(wǎng)線上也有較大的騷擾。將頻譜儀掃描頻段設(shè)為從1MHz到200MHz展開，發(fā)現(xiàn)騷擾從10MHz開始出現(xiàn)，并且是10MHz的奇次諧波（10、30、50...130、150、170）。這些頻點(diǎn)和圖1遠(yuǎn)場掃描100MHz~200MHz之間的騷擾頻點(diǎn)完全吻合。近場掃描圖如下圖2所示：圖2該單板網(wǎng)口附近近場掃描圖分析該單板的時(shí)鐘拓?fù)?，單板上電后，F(xiàn)PGA邏輯控制10MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出到HDMI接口做為調(diào)試和級聯(lián)輸出（如下圖3）。從近場掃描數(shù)據(jù)分析，騷擾源極有可能是單板上的這個(gè)10M時(shí)鐘輸出。為了進(jìn)一步確認(rèn)騷擾是由該時(shí)鐘引起，我們通過修改單板邏輯將輸出到HDMI口的10M時(shí)鐘關(guān)閉，近場掃描150MHz騷擾完全消失。問題定位到此騷擾源得到具體確認(rèn)。圖3A單板時(shí)鐘拓?fù)鋱D（部分）10M時(shí)鐘騷擾如何通過網(wǎng)線輻射出來？查看單板原理圖，為了對HDMI接口信號進(jìn)行靜電防護(hù)，10M_TEST時(shí)鐘信號輸出到外部時(shí)增加了一個(gè)對保護(hù)地的TVS（如下圖4所示）。該TVS參數(shù)為截止電壓VRWM=15.0V,擊穿電壓VBR=16.7V,結(jié)電容C0=80pF。圖4A單板HDMI10M_TEST時(shí)鐘電路分析A單板PCB（如下圖5），Test_10M時(shí)鐘從FPGA出來后通過內(nèi)層走線引到HDMI接口，途中經(jīng)過TVS進(jìn)行靜電防護(hù)，該TVS接單板保護(hù)地。單板保護(hù)地和數(shù)字地隔離，保護(hù)地靠近單板板邊及接口，為一狹長區(qū)域。數(shù)字地為一完整地平面，F(xiàn)PGA參考地采用數(shù)字地。圖5A單板10M時(shí)鐘騷擾傳播路徑根據(jù)傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)諧波的正弦波分量。根據(jù)傅里葉公式f(t)=A0/2+A1cos(ω1t+ψ1)+A2cos(2ω2t+ψ2)+A3cos(3ω3t+ψ3)+…+Ancos(ωnt+ψn)+…展開，10MHz時(shí)鐘基頻會(huì)產(chǎn)生不同分量的高次諧波。從近場掃描數(shù)據(jù)來看，情況也是如此。同時(shí)我們知道，電容在其諧振頻率點(diǎn)具有阻抗最小的特性（如下圖6所示）。如果10M時(shí)鐘的產(chǎn)生的高頻諧波分量頻率位于TVS結(jié)電容的諧振頻率點(diǎn)附近，則諧波騷擾電流將通過TVS結(jié)電容，則會(huì)形成上圖5所示的FPGA-TEST_10M-TVS-GNDP-FPGA的回流路徑。當(dāng)單板插入屏蔽網(wǎng)線后測試，有一部分共模騷擾電流將流過網(wǎng)線屏蔽層，形成天線效應(yīng)造成輻射騷擾測試超標(biāo)。為了驗(yàn)證此想法，將TEST_10M時(shí)鐘對保護(hù)地的TVS去除，插上網(wǎng)線后在暗室遠(yuǎn)場掃描，測試結(jié)果通過，150M頻點(diǎn)完全消失。圖6理想電容的頻率特性**3故障解決**EMC的三要素為騷擾源、傳播路徑和敏感受體。騷擾源和傳播路徑得到確認(rèn)后，整改的措施就變得簡單起來。我們從傳播路徑入手，將TEST_10M時(shí)鐘的TVS由保護(hù)地接到數(shù)字地，通過這樣改變了騷擾電流的回流路徑：FPGA-TEST_10M-GNDD-FPGA。騷擾電流不能再通過保護(hù)地流入到外接屏蔽線纜。經(jīng)過上面整改措施后，整機(jī)的輻射騷擾結(jié)果得到了非常有效的改善，PCB改動(dòng)后的遠(yuǎn)場測試結(jié)果如下圖7所示（僅列出之前不通過的垂直方向，水平方向經(jīng)測試一直可以通過）。同時(shí)對改動(dòng)后的單板進(jìn)行了接口靜電放電和浪涌試驗(yàn)，達(dá)到的指標(biāo)和未改動(dòng)前一致，保證PCB改動(dòng)對EMC抗擾設(shè)計(jì)沒有影響。圖7整改后的系統(tǒng)遠(yuǎn)場掃描圖（垂直