【故障案例】某單板TVS接地不當造成輻射騷擾超標問(wèn)題分析
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1 故障現象
某產(chǎn)品在進(jìn)行 EMC 研發(fā)摸底測試時(shí)發(fā)現，整機輻射騷擾垂直方向測試超標，超標點(diǎn)頻率為 150M Hz，同時(shí)伴有 20M Hz 間隔的脈沖騷擾。
在實(shí)驗室輻射騷擾的遠場(chǎng)掃描圖（垂直方向）如下圖 1 所示：
圖 1 某產(chǎn)品輻射騷擾遠場(chǎng)掃描圖（垂直）
2 故障分析
首先通過(guò)將系統單板逐一下電后掃描的排除法將 150MHz 頻點(diǎn)騷擾源定位在系統某單板上，該單板（后文簡(jiǎn)稱(chēng) A 單板）在系統中完成的功能為時(shí)鐘及通信控制。A 單板對外接口主要有以太網(wǎng)接口、光口和 HDMI 接口，其中 HDMI 接口為調試與時(shí)鐘級聯(lián)接口，輻射騷擾測試時(shí)不外接線(xiàn)纜。以太網(wǎng)接口測試時(shí)使用屏蔽網(wǎng)線(xiàn)通過(guò)電波暗室隔離底盤(pán)和輔助設備相連。拔掉A 單板網(wǎng)線(xiàn)重新進(jìn)行測試，測試結果通過(guò)。但是從測試數據中可以看出，150M Hz 的騷擾頻點(diǎn)仍然存在，只是幅值降低了 6.8dB。
通過(guò)頻譜分析儀搭配近場(chǎng)探頭對單板進(jìn)行近場(chǎng)掃描，發(fā)現單板面板處靠近 HDMI 口和以太網(wǎng)口附近 150MHz 的騷擾較強,同時(shí)單板保護地和屏蔽網(wǎng)線(xiàn)上也有較大的騷擾。將頻譜儀掃描頻段設為從 1MHz 到 200MHz 展開(kāi)，發(fā)現騷擾從 10MHz 開(kāi)始出現，并且是 10MHz 的奇次諧波（10、30、50...130、150、170）。這些頻點(diǎn)和圖 1 遠場(chǎng)掃描100M Hz~200M Hz之間的騷擾頻點(diǎn)完全吻合。近場(chǎng)掃描圖如下圖 2 所示：
圖 2 該單板網(wǎng)口附近近場(chǎng)掃描圖
圖 3 A 單板時(shí)鐘拓撲圖（部分）
10M 時(shí)鐘騷擾如何通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)輻射出來(lái)？查看單板原理圖，為了對 HDMI 接口信號進(jìn)行靜電防護，10M_TEST 時(shí)鐘信號輸出到外部時(shí)增加了一個(gè)對保護地的 TVS（如下圖 4 所示）。該 TVS 參數為截止電壓 VRWM=15.0V, 擊穿電壓 VBR=16.7V, 結電容 C0=80pF。
圖4 A單板HDMI 10M_TEST 時(shí)鐘電路
分析 A 單板 PCB（如下圖 5），Test_10M 時(shí)鐘從 FPGA 出來(lái)后通過(guò)內層走線(xiàn)引到 HDMI接口，途中經(jīng)過(guò) TVS 進(jìn)行靜電防護，該 TVS 接單板保護地。單板保護地和數字地隔離，保護地靠近單板板邊及接口，為一狹長(cháng)區域。數字地為一完整地平面，FPGA 參考地采用數字地。
圖 6 理想電容的頻率特性
3 故障解決 EMC 的三要素為騷擾源、傳播路徑和敏感受體。騷擾源和傳播路徑得到確認后，整改的措施就變得簡(jiǎn)單起來(lái)。我們從傳播路徑入手，將 TEST_10M 時(shí)鐘的 TVS 由保護地接到數字地，通過(guò)這樣改變了騷擾電流的回流路徑：FPGA-TEST_10M-GNDD-FPGA。騷擾電流不能再通過(guò)保護地流入到外接屏蔽線(xiàn)纜。經(jīng)過(guò)上面整改措施后，整機的輻射騷擾結果得到了非常有效的改善，PCB 改動(dòng)后的遠場(chǎng)測試結果如下圖 7 所示（僅列出之前不通過(guò)的垂直方向，水平方向經(jīng)測試一直可以通過(guò)）。同時(shí)對改動(dòng)后的單板進(jìn)行了接口靜電放電和浪涌試驗，達到的指標和未改動(dòng)前一致，保證 PCB 改動(dòng)對 EMC 抗擾設計沒(méi)有影響。
圖7 整改后的系統遠場(chǎng)掃描圖（垂直）
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