Cosa si irradia sul mio PCB?

Di recente ho eseguito un corretto test EMC su un mio PCB. Ha fallito il test e sembra irradiarsi nella regione di 300 MHz - 1 GHz, con picchi ogni 50 MHz e piccoli picchi sui 25 MHz.

Guardando il campo vicino, puoi vedere chiaramente un sacco di armoniche a 25MHz in giro:

La scheda contiene un cristallo da 25 MHz, che deve essere la fonte del segnale, ma la domanda è: cosa si sta irradiando sulla scheda? Cosa potrebbe essere l'antenna? I candidati a cui riesco a pensare sono:

• Il piano di terra che funge da antenna patch alimentata al centro. La scheda è 23mm x 47mm, il che la rende un quarto di lunghezza d'onda per circa 1.6GHz!
• Gli induttori negli alimentatori. La scheda contiene TPS84250 e integrati integrati di alimentazione a commutazione induttore EN5312 . Forse il segnale a 25MHz sta tornando agli induttori di questi circuiti integrati e li sta usando come antenne.
• Il cavo. Anche se l'aggiunta di ferriti sul cavo durante il test non sembra aver fatto alcuna differenza, il che mi porta a credere che sia qualcosa sul PCB stesso.
• Qualcos'altro? Non riesco a pensare cos'altro sia abbastanza grande da irradiare a frequenze così basse.

L'apparecchiatura in prova consiste in una coppia di PCB accatastati insieme. Quello in basso contiene il cristallo da 25 MHz e i chip che lo utilizzano. Quello in alto contiene i componenti dell'alimentatore.

Domanda per punti bonus: come è possibile che ci siano chiaramente molte armoniche da 25 MHz nel campo vicino, ma solo le armoniche da 100 MHz e 50 MHz sono rilevabili nel campo lontano?

Questo è un problema difficile da coprire in un paio di centinaia di parole, quindi sarà breve e dovrai solo fare delle ricerche da solo. Ma proverò a sintetizzarlo abbastanza in modo da sapere almeno cosa cercare.

È necessario conoscere l'impedenza di traccia, la terminazione del segnale, i percorsi di ritorno del segnale e i cappucci di bypass / disaccoppiamento. Se hai ottenuto questi assolutamente corretti, non avresti problemi di EMC. Ottenere il 100% perfetto è impossibile, ma puoi avvicinarti molto più di quanto tu sia ora.

Innanzitutto, diamo un'occhiata ai percorsi di ritorno del segnale ... Per ogni segnale deve esserci un percorso di ritorno. Normalmente il ritorno è sul piano di potenza o di terra, ma potrebbe essere anche altrove. Sul tuo PCB, il ritorno è su un aereo. Il percorso di ritorno va dal ricevitore al conducente. L'area del loop è il loop fisico creato dal segnale più il percorso di ritorno. Normalmente le leggi della fisica fanno sì che l'area del circuito sia il più piccola possibile, ma il routing PCB vuole rovinarlo.

Maggiore è l'area del loop, maggiori saranno i problemi di RF. Non solo emetterai più RF di quanto desideri, ma riceverai anche più RF.

I segnali sul livello inferiore (blu) vorranno che il loro percorso di ritorno sia sul piano adiacente sul livello successivo (ciano), poiché ciò rende l'area del circuito il più piccola possibile. I segnali sul livello superiore (rosso) avranno il percorso di ritorno sul livello oro.

Se un segnale inizia sullo strato superiore, quindi passa attraverso una via verso lo strato inferiore, il percorso di ritorno del segnale vorrà passare dagli strati oro a ciano, nel punto della via! Questa è una delle funzioni principali del disaccoppiamento dei cappucci. Normalmente un piano sarebbe GND e l'altro sarebbe VCC. Un passaggio di ritorno del segnale può passare attraverso il cappuccio di disaccoppiamento quando si passa da un piano all'altro. Ecco perché è spesso importante avere limiti tra gli aerei anche quando non è ovviamente necessario per motivi di potenza.

Senza un limite di disaccoppiamento tra i piani, il percorso di ritorno non può prendere un percorso più diretto e quindi l'area del circuito aumenta di dimensioni e aumentano i problemi EMC.

Ma vuoti / divisioni negli aerei possono essere ancora più problematici. Il tuo strato d'oro ha piani divisi e tracce di segnale, che creano problemi. Se confronti gli strati rosso e oro vedrai come i segnali attraversano i vuoti nei piani. Ogni volta che un segnale attraversa un vuoto nell'aereo, allora qualcosa andrà male. La corrente di ritorno sarà sull'aereo, ma non può seguire la traccia attraverso il vuoto, quindi deve fare una deviazione importante. Ciò aumenta l'area del loop e i problemi EMC.

Puoi posizionare un cappuccio attraverso il vuoto, proprio nel punto in cui i segnali si incrociano. Ma un approccio migliore sarebbe reindirizzare le cose per evitarlo in primo luogo.

Un altro modo in cui è possibile creare lo stesso problema è quando si hanno diversi viali vicini. Lo spazio tra le vie e l'aereo può creare delle fessure negli aerei. Ridurre il gioco o distribuire i via in modo che non si formi uno slot.

Ok, questo è il problema più grande con la tua scheda. Una volta compreso ciò, è necessario esaminare la terminazione del segnale e controllare l'impedenza di traccia. Dopodiché, devi esaminare i problemi di schermatura e GND dello chassis con la tua connessione Ethernet (informazioni insufficienti nella Q per commentare con precisione).

Spero che aiuti. Sono stato davvero seccato dai problemi, ma questo dovrebbe farti andare avanti.

Dopo aver riavviato la mia tavola, il rumore sembra essere notevolmente ridotto. Ho apportato alcune modifiche, quindi è difficile sapere esattamente quali fossero i responsabili. Fondamentalmente, ho copiato le precauzioni EMC utilizzate nei moduli BeckCoff EtherCAT

• Ferriti su tutti i pin di alimentazione dell'ASIC ET1200, con tappi prima e dopo la ferrite.
• Condensatore 5pF, due ferriti e induttanza di modo comune sulle linee LVDS in uscita.
• Miglioramento della disposizione dei cristalli, con il piano terra al di sotto. Ho anche seguito il consiglio di Olin in merito al collegamento del terreno dei tappi di carico del cristallo.

Per quanto riguarda ciò che è effettivamente irradiante? È difficile essere sicuri, schermare l'ET1200 stesso non sembra aiutare. Né l'aggiunta di ferriti al cavo. L'unica cosa che ha aiutato era racchiudere il PCB in una scatola di metallo. Quindi immagino fosse qualcosa sul PCB. Forse l'aereo di terra che funge da antenna patch alimentata al centro come suggerito da Olin.

Penso che le armoniche a 25 MHz indichino problemi relativi a Ethernet. Non ho familiarità con le raccomandazioni di Micrel, ma la maggior parte degli altri fornitori consiglia una distanza minima tra phy e magnetica, che non è evidente sulla tua scheda. Inoltre, c'è un piano di massa continuo sotto la magnetica, che non è raccomandato nella maggior parte dei luoghi.

È piuttosto difficile da dire con le immagini del layout, ma sembra che la traccia che scorre sotto il phy poi si stacchi e fuoriesca come una bella antenna sullo strato opposto. Ciò potrebbe essere confermato con qualche sondaggio sul campo vicino, forse?

Le cose che compaiono nel campo vicino e non lontano, significano che non esiste un percorso di accoppiamento efficace e un'antenna per quella frequenza, secondo la mia comprensione.

Sei assolutamente sicuro di aver bypassato tutto giusto? Avevo un tester emc che mi diceva che aveva una scheda che passava dal non passare al passaggio perché avevano perso un cappuccio di bypass. Puoi anche assicurarti che i tuoi cappucci di bypass funzionino come desideri a 25 MHz. Usa un analizzatore di spettro con generatore di tracciamento e una stripline da 50 ohm con tappi saldati su di esso, e vedi come funzionano davvero.

Penso che la risposta di David Kessner sia ancora degna di considerazione. Non mi sembra che abbiamo davvero abbastanza informazioni complete qui.

Penso che il migliore sarebbe noleggiare un'ora o due con una tecnologia EMC esperta (forse ne hai una inhouse) e assorbire tutto ciò che ti dice sulla tua tavola.