關(guān)鍵信號線未布內(nèi)層-電源地平面分割不合理

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關(guān)鍵信號線未布內(nèi)層-電源地平面分割不合理

    關(guān)鍵信號線特別是時鐘線要走內(nèi)層也是PCB 布線的一個基本常識。但是哪些線屬于關(guān)鍵信號線呢？人們往往十分注意從晶體、晶振、時鐘驅(qū)動器里面出來的時鐘線，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。
    對于周期性信號線不僅僅自身要避免在表層過多走線，而且對于在內(nèi)部與之并行臨近的走線也要考慮是否允許通過過孔走出內(nèi)層。
    經(jīng)典案例描述
    某產(chǎn)品在ＲＥ測試時候，在37.5M 處存在較大的輻射，測試曲線如下：
    PCB關(guān)鍵信號線未布內(nèi)層

    因為37.5M 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，結(jié)果 37.5M 輻射沒了，附近頻段也很干凈。這說明 37.5M 頻點確實和 25M 時鐘有關(guān)。
    經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)37M 時鐘流向圖是
    PCB關(guān)鍵信號線未布內(nèi)層

    FPGA 出來的 A0、 A1、 A2、 A3、 A4 地址線，在無業(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，由 25M 時鐘上升沿觸發(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，不會產(chǎn)生周期性干擾，所以在 PCB 布局布線時沒有注意，走在表面層，并且走線很長，到達(dá)背板后延伸至其他單板。實際這兩位地址線中的信號卻是周期性的矩形波，與時鐘信號波形完全相同。較長的走線，周期性變化的信號，加上表面走線導(dǎo)致這一段線路的輻射超標(biāo)。測試時候我們切斷 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。
    在后來的改板中糾正了設(shè)計缺陷后，37.5M 干擾不再出現(xiàn)。

    電源地平面分割不合理
    在測試的時候，電源地的分割問題也是最容易出問題的地方之一。電源地平面地分割問題是PCB EMC 設(shè)計中存在地老問題，不同的工程師有不同的看法，甚至到現(xiàn)在也沒有達(dá)成統(tǒng)一。目前存在兩種意見：
    觀點一：隔離信號地系統(tǒng)
    單板的GND 是個獨立的系統(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 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，單點連接即可，通常在電源單元進設(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，其絕對電位并不會影響工作狀態(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電位與機殼不一致而將其連接起來的做法理由并不充分。業(yè)內(nèi)現(xiàn)階段流行 GND 與機架連接的目的是遏制 GND 上的高頻噪聲。
    GND 和相應(yīng)的電源作為一個隔離的系統(tǒng)，不會產(chǎn)生靜電積累問題。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，因為這些物質(zhì)自身不能同空氣發(fā)生緩慢的放電過程，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，就沒有必要給 GND 接電阻到結(jié)構(gòu)以泄放靜電電荷。
    觀點二：統(tǒng)一信號地系統(tǒng)
    產(chǎn)品的GND 和結(jié)構(gòu)主體徹底合并成同一個網(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，并且接地點之間間距滿足二十分之一波長規(guī)則。
    當(dāng)GND 作為信號回流通道時它就是 GND，當(dāng)作為靜電泄放、屏蔽等用途時又是 PGND。這種“一地兩用”地理論基礎(chǔ)是高頻電路與電磁場和電磁波理論。對任何信號而言，信號回流走最低阻抗通道，不是物理上的最小路徑。到了高頻下，趨膚效應(yīng)顯著，即使一塊金屬板，正面和反面對高頻都是兩個通道。最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，高速信號地回流也不會到處都是，它始終在信號線的下方，與信號線互為耦合，環(huán)路電感達(dá)到最小。這種做法是隨著電子產(chǎn)品信號頻率不斷升高，電磁兼容要求日益嚴(yán)酷的背景下應(yīng)運而生的。實現(xiàn)這個規(guī)劃的難度在于這個方案考慮了高頻但是對低頻干擾存在風(fēng)險，由于結(jié)構(gòu)與 GND 在事實上連在一起，因此，結(jié)構(gòu)必須良好接大地。否則不但不能泄放干擾，相反還會引導(dǎo)干擾損壞器件。實現(xiàn)該方案的第二個難度在于“接地”。單板的 GND 如果通過單點和結(jié)構(gòu)相連，這不是 EMC 的“接地”，這樣做的后果是：高頻干擾依然沒有遏制，卻給了低頻干擾一個通道長驅(qū)直入。 EMC 接地必須多點把 GND 連接到結(jié)構(gòu)，其次接地點之間地間距滿足設(shè)備最高的主要工作頻率波長的二十分之一。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，因為螺釘不是接地用的，螺釘達(dá)不到高頻接地要求。落實這幾條措施才是達(dá)到“GND 接地”地目的，否則只是形式上的接地，事實上的“不良接地”。
    這個方案的優(yōu)點是GND 上的干擾通過結(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，單點連接即可。這個方案的結(jié)果是 DC/DC 兩端的地通過結(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 僅僅單點連接結(jié)構(gòu)，并且只在設(shè)備電源入口。
    對于采用－48V 的單板，其－48V 電源和地平面（走線）應(yīng)當(dāng)注意，在單板上，電源部分必須單獨劃分出去，要充分考慮不要和單板上面信號部分產(chǎn)生干擾。因為數(shù)字干擾很容易通過電源線輻射出去。+
    經(jīng)典案例—— －48V桌上型電源適配器地受信號地耦合造成干擾
    某基帶框在RE 測試時發(fā)現(xiàn)在頻點 32.76MHZ 處輻射較高，準(zhǔn)峰值為 53.8dB 超過 CLASS A 限值近4dB，結(jié)果如下圖所示

    圖1 RE 測試頻譜圖
    在定位過程中發(fā)現(xiàn)，主控板不插在槽位的時候輻射就消失，只要主控板一插上無論其它單板如何配置，該點得輻射均存在。過程中還發(fā)現(xiàn)在電源線上串上磁環(huán)，該點的輻射也消失。
    為了確定輻射源的耦合途徑,首先對背板和主控板的 PCB 進行了詳細(xì)的審查，發(fā)現(xiàn)
    1 cellbus 時鐘走線是采用兩端匹配的方式，通過上拉電阻匹配到 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。
    最后經(jīng)過定位確認(rèn)正是VTT 電源層受到 CELLBUS 的影響后，對－48V 電源層耦合，然后通過電源線對外輻射造成超標(biāo)。


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| 發(fā)布時間：2018.05.24 來源：電源適配器廠家

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