關鍵信號線未布內層-電源地平面分割不合理

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關鍵信號線未布內層-電源地平面分割不合理

    關鍵信號線特別是時鐘線要走內層也是PCB 布線的一個基本常識。但是哪些線屬于關鍵信號線呢？人們往往十分注意從晶體、晶振、時鐘驅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層。
    經典案例描述
    某產品在ＲＥ測試時候，在37.5M 處存在較大的輻射，測試曲線如下：
    PCB關鍵信號線未布內層

    因為37.5M 是 12.5M 的 3 倍頻，我們懷疑與板上 25M 晶振有關，于是將輸出端 33ohm 電阻斷開，結果 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。
    經過分析，我們發現37M 時鐘流向圖是
    PCB關鍵信號線未布內層

    FPGA 出來的 A0、 A1、 A2、 A3、 A4 地址線，在無業務狀態下，根據協議要求 A3/A4 將產生規則的 01010101......交替信號，由 25M 時鐘上升沿觸發，其頻率是 12.5MHz。 37.5MHZ 正是其 3次諧波。而協議要求 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。由于我們一般認為地址線的干擾較小，不會產生周期性干擾，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，加上表面走線導致這一段線路的輻射超標。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計缺陷后，37.5M 干擾不再出現。

    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較容易出問題的地方之一。電源地平面地分割問題是PCB EMC 設計中存在地老問題，不同的工程師有不同的看法，甚至到現在也沒有達成統一。目前存在兩種意見：
    觀點一：隔離信號地系統
    單板的GND 是個獨立的系統，不和 PGND 發生聯系，與設備內部形成閉環系統，只通過 DC/DC與外部相連。板上地 PGND 是結構在背板、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 要和結構外殼連接，單點連接即可，通常在電源單元進設備的入口處，或者設備的供電柜上作 BGND 和 PGND 短接。
    GND 作為數字信號的回流地，主要是同低壓電源發生能量傳遞關系，其絕對電位并不會影響工作狀態，重要的是與電源之間產生穩定的電位差給器件工作。因而出于擔心 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。業內現階段流行 GND 與機架連接的目的是遏制 GND 上的高頻噪聲。
    GND 和相應的電源作為一個隔離的系統，不會產生靜電積累問題。靜電積累是有前提條件，首先要有物質之間的相互摩擦；其次這種摩擦能夠導致大量的電荷轉移；第三，能夠引起靜電積累材料的往往都是絕緣的非金屬，因為這些物質自身不能同空氣發生緩慢的放電過程，金屬和其它導電物質具備向空氣緩慢放電地特質，因此它們不易產生靜電積累。只要將 GND 完全隔離，避免使其和外界發生摩擦，就沒有必要給 GND 接電阻到結構以泄放靜電電荷。
    觀點二：統一信號地系統
    產品的GND 和結構主體徹底合并成同一個網絡， PGND 代表結構和結構在背（單）板上的衍生網絡， PGND 在電氣網絡上就是 GND。這個方案的關鍵是如何“統一”！GND和結構之間連接關系只有“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則。
    當GND 作為信號回流通道時它就是 GND，當作為靜電泄放、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，趨膚效應顯著，即使一塊金屬板，正面和反面對高頻都是兩個通道。較低阻抗地原則和趨膚效應保證了即使 GND 接到結構上，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，環路電感達到較小。這種做法是隨著電子產品信號頻率不斷升高，電磁兼容要求日益嚴酷的背景下應運而生的。實現這個規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險，由于結構與 GND 在事實上連在一起，因此，結構必須良好接大地。否則不但不能泄放干擾，相反還會引導干擾損壞器件。實現該方案的第二個難度在于“接地”。單板的 GND 如果通過單點和結構相連，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直入。 EMC 接地必須多點把 GND 連接到結構，其次接地點之間地間距滿足設備較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構平面“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，螺釘達不到高頻接地要求。落實這幾條措施才是達到“GND 接地”地目的，否則只是形式上的接地，事實上的“不良接地”。
    這個方案的優點是GND 上的干擾通過結構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的復雜性，并且結構成本有增加。
    BGND 是-48 的回流線，同樣原因， BGND 要和結構外殼連接，單點連接即可。這個方案的結果是 DC/DC 兩端的地通過結構短接在一起。用直流的眼光看， BGND、 PGND、 GND 是等電位。為了達到 DC/DC 輸入輸出兩端交流隔離的目的，一般要求 BGND 僅僅單點連接結構，并且只在設備電源入口。
    對于采用－48V 的單板，其－48V 電源和地平面（走線）應當注意，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生干擾。因為數字干擾很容易通過電源線輻射出去。+
    經典案例—— －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 測試時發現在頻點 32.76MHZ 處輻射較高，準峰值為 53.8dB 超過 CLASS A 限值近4dB，結果如下圖所示

    圖1 RE 測試頻譜圖
    在定位過程中發現，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。過程中還發現在電源線上串上磁環，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 進行了詳細的審查，發現
    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。
    較后經過定位確認正是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。


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| 發布時間：2018.05.24 來源：電源適配器廠家

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