摘 ?要： 通過經驗方法和電源完整性分析相結合，尋找并判斷出可能造成某單板傳導干擾的故障點，同時通過仿真結果提出改進措施，最終解決了現(xiàn)有故障和隱患。
關鍵詞： 傳導干擾；電源完整性；電磁兼容；平面阻抗
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一個產品在轉產階段都會做許多可靠性測試，例如浪涌抗擾、靜電抗擾、電快速瞬變脈沖群抗擾、傳導抗擾、傳導發(fā)射、輻射抗擾、輻射發(fā)射等，這些對產品的電磁兼容測試都要求結果能夠達標并且留有足夠的裕量。
解決EMC問題可以通過多種手段，但是最根本的解決方法是從設計上減小EMI隱患。而設計好PCB對于保證設備的EMC性能具有重要的意義。PCB設計的目的就是減小PCB對其他電路的干擾和對外界干擾的敏感性，以及減小PCB電路之間的互相影響[1]。
1 故障現(xiàn)象
某寬帶無線接入系統(tǒng)基站室外單元樣機在國家可靠性試驗中心EMC實驗室做傳導發(fā)射測試時，一直存在400 kHz以下頻率點指標偏低，對于CLASS B的要求沒有裕量的現(xiàn)象，測試結果如圖1所示。測試環(huán)境參照標準為：GB9254(1988)。
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樣機中400 kHz頻率范圍主要的工作器件位于系統(tǒng)內的電源監(jiān)控板PWCB上，所以初步將問題定位于電源監(jiān)控板，并對電源監(jiān)控板單獨做了測試。
1.1? 電源監(jiān)控板傳導發(fā)射
在與樣機相同的測試環(huán)境下，針對樣機故障現(xiàn)象單獨對電源監(jiān)控板PWCB的48 V電纜進行傳導發(fā)射測試，測試結果如圖2所示，可見單板傳導干擾超標，需要采取相應措施提高指標。
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1.2? 現(xiàn)場改善措施
根據(jù)以往經驗，抑制干擾的三大方法是接地、屏蔽和濾波。在測試現(xiàn)場，分別采用了接地和濾波方案。首先，將單板電源進行共地，共地后的測試結果如圖3所示。
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可以看出，指標雖然有所改善，但還是不理想，部分頻點的裕量仍然不夠。再次采取濾波策略，在－48V電源線上增加了輸入輸出電容后，得到測試結果如圖4所示。
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從測試結果看，增加電容后，背景噪聲較僅采用共地方案有了明顯改善，各頻點噪聲幅度也有了非常明顯的下降，但在400 Hz附近起到的作用還是非常有限。于是再次增加濾波，增加輸入電感后，整個頻點范圍內的噪聲幅度進一步改善，如圖5所示。
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從測試結果來看，基本滿足了CLASS B指標要求，可見可以通過改板PWCB來解決整機傳導干擾問題。具體的改板方案為：共地，增加3個電容、3個電感。
2?故障原因分析
雖然通過以上經驗方法，現(xiàn)場采取措施使得傳導干擾指標得到改善，但問題的原因并沒有得到準確定位，EMC隱患隨時會在其他環(huán)境惡劣時發(fā)生。所以試著從單板PCB的布局和布線方面進行分析考慮，希望通過優(yōu)化PCB布局布線來降低印制板電路EMI問題。具體做法為電源部分重新布局布線，芯片的電源布線加粗，單板2個表層的走線加粗，以達到改善干擾指標的目標。
本測試板中主要的電源信號有-48 V、+12 V、+5 V、+3.3 V，地信號有GNDA和48VGND。第2、5、7層都是完整的GNDA平面；+5 V，+3.3 V位于第4層。其余電源、地信號用銅線在信號層上連接，-48 V的連線在表層和兩個SIG層之間來回穿梭。另外-48 V GND是走線連接而不是-48V的耦合平面，這樣走線難免會將噪聲引入電源信號中。
2.1?電源完整性分析
對電源監(jiān)控板PWCB板用SIwave軟件進行PI仿真分析，所有電源網絡走線上都沒有發(fā)現(xiàn)高諧振頻率點。但-48V電源在插座入口處的Z阻抗值卻大大超過單板額定工作目標阻抗。
以仿真結果看出，在400 kHz頻點左右有高達80 Ω的平面阻抗，另外在1 kHz頻率附近也有高達300 Ω的平面阻抗，雖然1 kHz附近的高阻抗在傳導測試時不會體現(xiàn)出來，但由此帶來的輻射干擾隱患卻一直存在。
另外，+12 V在第6層的一個端點有70Ω的阻抗，分析是由于此根信號走線過細過長造成的，需要加粗此根電源走線來降低走線阻抗。
2.2? 傳導干擾理論分析
解決EMC問題要從它的三要素著手：干擾源、耦合途徑和被干擾設備。
(1)解決干擾源問題是最有效且廉價的方法。因此要解決傳導干擾最好的方法是選用開關噪聲小的電源器件，其次再從耦合途徑和被害設備方面考慮。
(2)傳導干擾耦合途徑主要是通過導線與公共地阻抗或公共電源阻抗進行傳輸。較好的解決方案就是將連接分離，以使無公共電流路徑存在，因而在兩個電路之間就不會存在公共阻抗。其缺點是分開的電路需要額外的導線或布線。
(3)從被干擾設備方面考慮就是想方設法抑制傳導干擾對設備的影響。
從標準的執(zhí)行角度看，傳導干擾的測試頻率范圍是10 kHz～30 MHz，測試方法是測量受試設備(EUT)通過電源線或信號線向外發(fā)射的干擾信號。根據(jù)干擾的性質，傳導干擾測試可分為連續(xù)干擾電壓測量、干擾功率測量、斷續(xù)干擾喀嚦聲測量、諧波電流測量、電壓波動和閃爍測量。
在干擾源和耦合途徑無法改進的情況下，解決傳導干擾問題只能考慮通過抑制技術來提高相關指標。抑制干擾的三大方法分別是接地、屏蔽和濾波。常用的抑制電源干擾的技術有：
(1)專用線路；
(2)瞬變干擾吸收器件(能量轉移方式：氣體放電管、固體放電管；電壓箝位方式：壓敏電阻、硅瞬變電壓吸收二極管) ；
(3)濾波器(電源線濾波器、信號線濾波器、鐵氧體抗干擾磁芯) ；
(4)隔離變壓器(普通的隔離變壓器、帶屏蔽層的隔離變壓器、超級隔離變壓器) ；
(5)電壓調整器(交流電子穩(wěn)壓器，包括機械的、電子的、鐵磁共振的) ；
(6)多用途的電源凈化器(集干擾抑制、濾波和穩(wěn)壓于一身) ；
(7)UPS/SPS系統(tǒng)。
最常用的抑制手段就是使用濾波器，濾波器是一種用途很廣的抗干擾器件。濾波技術具有兩面性，它是解決產品電磁兼容性的主要手段之一。電源線濾波器是安插在電源線和設備之間的一個專門用來抑制射頻信號傳播的器件。它的作用實際上是雙方向性的，既能有效阻止外界的電磁干擾經電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產生的電磁干擾經電源線進入電網，傳送到其他敏感設備。所以電源線濾波器是抗干擾和干擾抑制中都可采用的一種器件。
2.3? 改進措施
針對傳導干擾測試結果，現(xiàn)場實驗采取了一些改善措施，后期又通過軟件對單板進行電源完整性分析后，基本可以確定改板的方案如下：
(1)在48 V電源入口處增加共模電感和LC濾波電路;
(2)調整電源部分布局，使電源平面分割和走線更加合理;
(3)48 V、12 V走線加粗以降低阻抗，走線在一層內連通而不打過孔換層;
(4)48 V地與GNDA隔離在遠端單點接地;
(5)將接口電路與電源處理芯片隔離布局布線。
改板后通過SIwave軟件對PWCB板進行了Z阻抗分析，掃描發(fā)現(xiàn)-48V電源線上平面阻抗值降低得非常明顯，幾乎降到了0 Ω。
在現(xiàn)代電子設備產品設計中，電磁兼容性要求已經是必須滿足的需求之一，因此在設計中要提前考慮電磁兼容技術相關的要素：電磁干擾EMI、電磁敏感度或抗擾度EMS 、靜電放電ESD、電力過電壓EOS等。通常從系統(tǒng)方案制定階段開始就要考慮可靠性的問題，后期在器件選型方面要選用干擾小且抗干擾的器件，在印制板電路設計中要合理地布局、布線、隔離、屏蔽等，利用濾波、接地、去耦等手段將EMI在單板級降到最小。由于個人的設計經驗各不相同，所以引入軟件進行仿真是非常必要的。通過軟件仿真可以直觀地提前了解到單板的PI性能，后期還可以對單板進行分析判斷來定位可能造成干擾的故障點。
參考文獻
[1]?鄭軍奇.EMC (電磁兼容) 設計與測試案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.