關(guān)鍵信號(hào)線未布內(nèi)層-電源地平面分割不合理

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關(guān)鍵信號(hào)線未布內(nèi)層-電源地平面分割不合理

    關(guān)鍵信號(hào)線特別是時(shí)鐘線要走內(nèi)層也是PCB 布線的一個(gè)基本常識(shí)。但是哪些線屬于關(guān)鍵信號(hào)線呢？人們往往十分注意從晶體、晶振、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器里面出來(lái)的時(shí)鐘線，卻往往忽視了另一類具有周期性質(zhì)的走線——譬如特定的地址線。
    對(duì)于周期性信號(hào)線不僅僅自身要避免在表層過(guò)多走線，而且對(duì)于在內(nèi)部與之并行臨近的走線也要考慮是否允許通過(guò)過(guò)孔走出內(nèi)層。
    經(jīng)典案例描述
    某產(chǎn)品在ＲＥ測(cè)試時(shí)候，在37.5M 處存在較大的輻射，測(cè)試曲線如下：
    PCB關(guān)鍵信號(hào)線未布內(nèi)層

    因?yàn)?7.5M 是 12.5M 的 3 倍頻，我們懷疑與板上 25M 晶振有關(guān)，于是將輸出端 33ohm 電阻斷開(kāi)，結(jié)果 37.5M 輻射沒(méi)了，附近頻段也很干凈。這說(shuō)明 37.5M 頻點(diǎn)確實(shí)和 25M 時(shí)鐘有關(guān)。
    經(jīng)過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)37M 時(shí)鐘流向圖是
    PCB關(guān)鍵信號(hào)線未布內(nèi)層

    FPGA 出來(lái)的 A0、 A1、 A2、 A3、 A4 地址線，在無(wú)業(yè)務(wù)狀態(tài)下，根據(jù)協(xié)議要求 A3/A4 將產(chǎn)生規(guī)則的 01010101......交替信號(hào)，由 25M 時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，其頻率是 12.5MHz。 37.5MHZ 正是其 3次諧波。而協(xié)議要求 A0 A1 A2 電平每變化一次要加入 1F，其信號(hào)不是周期性變化的方波。由于我們一般認(rèn)為地址線的干擾較小，不會(huì)產(chǎn)生周期性干擾，所以在 PCB 布局布線時(shí)沒(méi)有注意，走在表面層，并且走線很長(zhǎng)，到達(dá)背板后延伸至其他單板。實(shí)際這兩位地址線中的信號(hào)卻是周期性的矩形波，與時(shí)鐘信號(hào)波形完全相同。較長(zhǎng)的走線，周期性變化的信號(hào)，加上表面走線導(dǎo)致這一段線路的輻射超標(biāo)。測(cè)試時(shí)候我們切斷 A3 A4 兩根地址線的始端匹配電阻， 37.5M 干擾消失，證明了我們的判斷是正確的。
    在后來(lái)的改板中糾正了設(shè)計(jì)缺陷后，37.5M 干擾不再出現(xiàn)。

    電源地平面分割不合理
    在測(cè)試的時(shí)候，電源地的分割問(wèn)題也是較容易出問(wèn)題的地方之一。電源地平面地分割問(wèn)題是PCB EMC 設(shè)計(jì)中存在地老問(wèn)題，不同的工程師有不同的看法，甚至到現(xiàn)在也沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一。目前存在兩種意見(jiàn)：
    觀點(diǎn)一：隔離信號(hào)地系統(tǒng)
    單板的GND 是個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，不和 PGND 發(fā)生聯(lián)系，與設(shè)備內(nèi)部形成閉環(huán)系統(tǒng)，只通過(guò) DC/DC與外部相連。板上地 PGND 是結(jié)構(gòu)在背板、單板上的延伸，用于屏蔽、防護(hù)器件的能量泄放、防靜電。 BGND 是-48 的回流線，出于安全考慮， BGND 要和結(jié)構(gòu)外殼連接，單點(diǎn)連接即可，通常在電源單元進(jìn)設(shè)備的入口處，或者設(shè)備的供電柜上作 BGND 和 PGND 短接。
    GND 作為數(shù)字信號(hào)的回流地，主要是同低壓電源發(fā)生能量傳遞關(guān)系，其絕對(duì)電位并不會(huì)影響工作狀態(tài)，重要的是與電源之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電位差給器件工作。因而出于擔(dān)心 GND 上面存在干擾電平或者絕對(duì)電位與機(jī)殼不一致而將其連接起來(lái)的做法理由并不充分。業(yè)內(nèi)現(xiàn)階段流行 GND 與機(jī)架連接的目的是遏制 GND 上的高頻噪聲。
    GND 和相應(yīng)的電源作為一個(gè)隔離的系統(tǒng)，不會(huì)產(chǎn)生靜電積累問(wèn)題。靜電積累是有前提條件，首先要有物質(zhì)之間的相互摩擦；其次這種摩擦能夠?qū)е麓罅康碾姾赊D(zhuǎn)移；第三，能夠引起靜電積累材料的往往都是絕緣的非金屬，因?yàn)檫@些物質(zhì)自身不能同空氣發(fā)生緩慢的放電過(guò)程，金屬和其它導(dǎo)電物質(zhì)具備向空氣緩慢放電地特質(zhì)，因此它們不易產(chǎn)生靜電積累。只要將 GND 完全隔離，避免使其和外界發(fā)生摩擦，就沒(méi)有必要給 GND 接電阻到結(jié)構(gòu)以泄放靜電電荷。
    觀點(diǎn)二：統(tǒng)一信號(hào)地系統(tǒng)
    產(chǎn)品的GND 和結(jié)構(gòu)主體徹底合并成同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)， PGND 代表結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)在背（單）板上的衍生網(wǎng)絡(luò)， PGND 在電氣網(wǎng)絡(luò)上就是 GND。這個(gè)方案的關(guān)鍵是如何“統(tǒng)一”！GND和結(jié)構(gòu)之間連接關(guān)系只有“多點(diǎn)接地”才是滿足EMC要求的。因此每塊單板需要搭配金屬大平板，螺釘連接以保證良好接地，并且接地點(diǎn)之間間距滿足二十分之一波長(zhǎng)規(guī)則。
    當(dāng)GND 作為信號(hào)回流通道時(shí)它就是 GND，當(dāng)作為靜電泄放、屏蔽等用途時(shí)又是 PGND。這種“一地兩用”地理論基礎(chǔ)是高頻電路與電磁場(chǎng)和電磁波理論。對(duì)任何信號(hào)而言，信號(hào)回流走較低阻抗通道，不是物理上的較小路徑。到了高頻下，趨膚效應(yīng)顯著，即使一塊金屬板，正面和反面對(duì)高頻都是兩個(gè)通道。較低阻抗地原則和趨膚效應(yīng)保證了即使 GND 接到結(jié)構(gòu)上，高速信號(hào)地回流也不會(huì)到處都是，它始終在信號(hào)線的下方，與信號(hào)線互為耦合，環(huán)路電感達(dá)到較小。這種做法是隨著電子產(chǎn)品信號(hào)頻率不斷升高，電磁兼容要求日益嚴(yán)酷的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。實(shí)現(xiàn)這個(gè)規(guī)劃的難度在于這個(gè)方案考慮了高頻但是對(duì)低頻干擾存在風(fēng)險(xiǎn)，由于結(jié)構(gòu)與 GND 在事實(shí)上連在一起，因此，結(jié)構(gòu)必須良好接大地。否則不但不能泄放干擾，相反還會(huì)引導(dǎo)干擾損壞器件。實(shí)現(xiàn)該方案的第二個(gè)難度在于“接地”。單板的 GND 如果通過(guò)單點(diǎn)和結(jié)構(gòu)相連，這不是 EMC 的“接地”，這樣做的后果是：高頻干擾依然沒(méi)有遏制，卻給了低頻干擾一個(gè)通道長(zhǎng)驅(qū)直入。 EMC 接地必須多點(diǎn)把 GND 連接到結(jié)構(gòu)，其次接地點(diǎn)之間地間距滿足設(shè)備較高的主要工作頻率波長(zhǎng)的二十分之一。第三，不能完全指望螺釘接地，單板必須是金屬化孔亮銅直接與結(jié)構(gòu)平面“面－面”接觸，并且壓緊，螺釘可以用尼龍的，因?yàn)槁葆敳皇墙拥赜玫模?螺釘達(dá)不到高頻接地要求。落實(shí)這幾條措施才是達(dá)到“GND 接地”地目的，否則只是形式上的接地，事實(shí)上的“不良接地”。
    這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是GND 上的干擾通過(guò)結(jié)構(gòu)低阻抗通道泄放到大地，減小空間輻射幅度，有利于 EMC。不足是增加接地系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且結(jié)構(gòu)成本有增加。
    BGND 是-48 的回流線，同樣原因， BGND 要和結(jié)構(gòu)外殼連接，單點(diǎn)連接即可。這個(gè)方案的結(jié)果是 DC/DC 兩端的地通過(guò)結(jié)構(gòu)短接在一起。用直流的眼光看， BGND、 PGND、 GND 是等電位。為了達(dá)到 DC/DC 輸入輸出兩端交流隔離的目的，一般要求 BGND 僅僅單點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)，并且只在設(shè)備電源入口。
    對(duì)于采用－48V 的單板，其－48V 電源和地平面（走線）應(yīng)當(dāng)注意，在單板上，電源部分必須單獨(dú)劃分出去，要充分考慮不要和單板上面信號(hào)部分產(chǎn)生干擾。因?yàn)閿?shù)字干擾很容易通過(guò)電源線輻射出去。+
    經(jīng)典案例—— －48V桌上型電源適配器地受信號(hào)地耦合造成干擾
    某基帶框在RE 測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在頻點(diǎn) 32.76MHZ 處輻射較高，準(zhǔn)峰值為 53.8dB 超過(guò) CLASS A 限值近4dB，結(jié)果如下圖所示

    圖1 RE 測(cè)試頻譜圖
    在定位過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，主控板不插在槽位的時(shí)候輻射就消失，只要主控板一插上無(wú)論其它單板如何配置，該點(diǎn)得輻射均存在。過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)在電源線上串上磁環(huán)，該點(diǎn)的輻射也消失。
    為了確定輻射源的耦合途徑,首先對(duì)背板和主控板的 PCB 進(jìn)行了詳細(xì)的審查，發(fā)現(xiàn)
    1 cellbus 時(shí)鐘走線是采用兩端匹配的方式，通過(guò)上拉電阻匹配到 VTT 層，原理圖如下：
    2 VTT 和-48V、 -48V_GND 的電源平面有大面積的重合。

    如果VTT 濾波電容選擇不合理，可能會(huì)把干擾傳入 VTT 層，而 VTT 層與－48V 電源層在主控板上有大面積的重合，－48V 電源層很有可能被耦合到干擾。
    較后經(jīng)過(guò)定位確認(rèn)正是VTT 電源層受到 CELLBUS 的影響后，對(duì)－48V 電源層耦合，然后通過(guò)電源線對(duì)外輻射造成超標(biāo)。


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| 發(fā)布時(shí)間：2018.05.24 來(lái)源：電源適配器廠家

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