¿Qué es lo que irradia mi PCB?

Question

Hace poco hice una prueba de compatibilidad electromagnética adecuada en una placa de circuito impreso mía. No pasó la prueba, y parece que irradia en la región de 300MHz - 1GHz, con picos cada 50MHz, y pequeños picos en los 25MHz.

Observando el campo cercano, se pueden ver claramente muchos armónicos de 25MHz alrededor:

La placa contiene un cristal de 25MHz, que debe ser la fuente de la señal, pero la pregunta es, ¿qué es lo que irradia la placa? ¿Qué podría ser la antena? Los candidatos que se me ocurren son:

• El plano de tierra actúa como una antena de parche con alimentación central. La placa mide 23 mm x 47 mm, lo que la convierte en un cuarto de longitud de onda para unos 1,6 GHz.
• Los inductores de las fuentes de alimentación. La placa contiene TPS84250 y EN5312 ICs de fuentes de alimentación de conmutación de inductores integrados. Tal vez la señal de 25MHz está encontrando su camino de vuelta a los inductores en estos ICs y usándolos como antenas.
• El cable. Aunque añadir ferritas en el cable durante la prueba no parecía hacer ninguna diferencia, lo que me lleva a creer que es algo en el propio PCB.
• ¿Algo más? No se me ocurre qué otra cosa es tan grande como para irradiar a frecuencias tan bajas.

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El equipo bajo prueba consiste en un par de placas de circuito impreso apiladas. La inferior contiene el cristal de 25MHz y los chips que lo utilizan. La superior contiene los componentes de la fuente de alimentación.

Pregunta para obtener puntos extra: ¿Cómo puede ser que haya claramente muchos armónicos de 25MHz en el campo cercano, pero que sólo sean detectables los armónicos de 100MHz y 50MHz en el campo lejano?

Answer 1

Este es un problema difícil de cubrir en un par de cientos de palabras, así que esto será breve y tendrás que investigar por tu cuenta. Pero intentaré resumirlo lo suficiente para que al menos sepas qué investigar.

Tienes que saber sobre la impedancia de la traza, la terminación de la señal, las vías de retorno de la señal y los tapones de derivación/desacople. Si todo esto es absolutamente correcto, no habrá problemas de compatibilidad electromagnética. Conseguir que sea 100% perfecto es imposible, pero puedes acercarte mucho más de lo que estás ahora.

En primer lugar, veamos las vías de retorno de la señal... Para cada señal debe haber un camino de retorno. Normalmente el retorno está en el plano de potencia o de tierra, pero también podría estar en otro lugar. En tu PCB, el retorno está en un plano. El camino de retorno va desde el receptor hasta el controlador. El área de bucle es el bucle físico creado por la señal más el camino de retorno. Normalmente, las leyes de la física hacen que el área de bucle sea lo más pequeña posible, pero el trazado de la placa de circuito impreso quiere estropearlo.

Cuanto mayor sea el área del bucle, más problemas de RF tendrá. No sólo emitirá más RF de la deseada, sino que también recibirá más RF.

Las señales de la capa inferior (azul) querrán que su camino de retorno esté en el plano adyacente de la siguiente capa (cian), ya que eso hace que el área del bucle sea lo más pequeña posible. Las señales de la capa superior (roja) tendrán su camino de retorno en la capa dorada.

Si una señal comienza en la capa superior y luego pasa por una vía a la capa inferior, la ruta de retorno de la señal querrá cambiar de las capas de oro a las de cian, en el punto de la vía. Esta es una de las principales funciones de las tapas de desacoplamiento. Normalmente un plano sería GND y el otro sería VCC. Una ruta de retorno de la señal puede pasar por la tapa de desacoplamiento cuando se cambia entre planos. Por eso es importante tener tapas entre los planos incluso cuando no es obviamente necesario por razones de potencia.

Sin una tapa de desacoplamiento entre los planos, la ruta de retorno no puede tomar una ruta más directa, por lo que el área del bucle aumenta de tamaño - y los problemas de EMC aumentan.

Pero los vacíos/las fisuras en los planos pueden ser aún más problemáticos. Tu capa dorada tiene planos divididos, y trazos de señal, que crean problemas. Si comparas las capas roja y dorada verás cómo las señales cruzan los huecos en los planos. Cada vez que una señal cruza un vacío en el plano entonces algo va a ir mal. La corriente de retorno va a estar en el plano, pero no puede seguir la traza a través del vacío por lo que tiene que tomar un desvío importante. Esto aumenta el área del bucle y sus problemas de EMC.

Puedes colocar una tapa en el vacío, justo donde se cruzan las señales. Pero un mejor enfoque sería redirigir las cosas para evitar esto en primer lugar.

Otra forma en la que se puede crear el mismo problema es cuando se tienen varias vías que están muy juntas. El espacio libre entre las vías y el plano puede crear ranuras en los planos. Disminuya el espacio libre, o extienda las vías para que no se forme una ranura.

Ok, entonces ese es el mayor problema de tu tabla. Una vez que entiendas eso, tienes que mirar la terminación de la señal y controlar la impedancia de la traza. Después de eso, usted tiene que mirar a los problemas de blindaje y GND del chasis con su conexión Ethernet (no hay suficiente información en el Q para comentar con precisión).

Espero que eso ayude. Realmente pasé por encima de los problemas, pero eso debería hacer que te pongas en marcha.

Answer 2

Después de volver a hilar mi tabla, el ruido parece haberse reducido significativamente. Hice bastantes cambios, así que es difícil saber exactamente cuáles fueron los responsables. Básicamente, he copiado el Precauciones EMC utilizadas en los módulos EtherCAT de Beckhoff

• Ferritas en todos los pines de alimentación del ASIC ET1200, con tapones antes y después de la ferrita.
• Condensador de 5pF, dos ferritas y reactancia de modo común en las líneas LVDS de salida.
• Disposición mejorada del cristal, con plano de tierra completo por debajo. También he seguido El consejo de Olin con respecto a la conexión de la tierra de las tapas de carga del cristal.

¿En cuanto a lo que realmente irradia? Es difícil estar seguro, apantallar el propio ET1200 no parece ayudar. Tampoco lo hizo añadir ferritas al cable. Lo único que ayudó fue encerrar el PCB en una caja metálica. Así que supongo que era algo en el PCB. Tal vez el plano de tierra actuando como una antena de parche alimentada por el centro como sugirió Olin.

Answer 3

Creo que los armónicos de 25MHz apuntan a problemas relacionados con ethernet. No estoy familiarizado con las recomendaciones de Micrel, pero la mayoría de los otros vendedores recomiendan una distancia mínima entre el phy y el magnetismo, que no es evidente en tu placa. Además, hay un plano de tierra continuo debajo de los imanes, que tampoco se recomienda en la mayoría de los lugares.

Es bastante difícil de distinguir con las fotos del trazado, pero parece que la traza que pasa por debajo del phy luego se ensarta y sale como una bonita antena en la capa opuesta. Esto podría confirmarse con algún sondeo de campo cercano, tal vez?

Las cosas que aparecen en el campo cercano y no en el lejano, significan que no hay un camino de acoplamiento efectivo y una antena para esa frecuencia, a mi entender.

¿Estás absolutamente seguro de que tienes todo bien desviado? Un probador de emc me dijo que tenía una placa que pasó de no pasar a pasar porque habían omitido una tapa de derivación. También puedes asegurarte de que las tapas de bypass funcionan como quieres a 25MHz. Utiliza un analizador de espectro con un generador de seguimiento y una línea de 50 ohmios con las tapas soldadas, y comprueba cómo funcionan realmente.

Creo que la respuesta de David Kessner sigue siendo digna de consideración. No me parece que tengamos una información lo suficientemente completa.

Creo que lo mejor sería alquilar una o dos horas con un técnico experimentado de emc (tal vez tengan uno en casa), y absorber todo lo que te diga sobre tu tabla.