晶振引發(fā)的EMC輻射發(fā)射超標(biāo)分析及整改方案設(shè)計(jì)概述

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1 EMC輻射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

某產(chǎn)品進(jìn)行EMC輻射發(fā)射測(cè)試，產(chǎn)品采用DC5V供電，該產(chǎn)品的輻射發(fā)射水平和垂直兩種測(cè)試的頻譜如下圖所示，在150M、175M、199M處嚴(yán)重超標(biāo)，不符合認(rèn)證要求。

圖1 發(fā)射水平和垂直兩種測(cè)試的頻譜

2 輻射發(fā)射超標(biāo)原因分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告可知，測(cè)試超標(biāo)的頻點(diǎn)大致為25的倍數(shù)，有很強(qiáng)的規(guī)律性，為尋找發(fā)射源提供了很好的線索。進(jìn)一步分析可知，PCB上剛好有25M無源晶振作為W5500的外置晶振，所以極有可能是此處引起的超標(biāo)。EMC三要素是干擾源，被干擾對(duì)象和干擾路徑。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)報(bào)告顯示出的頻點(diǎn)的周期性，本次整改可以從源頭修正，即優(yōu)化晶振的布局和走線[1]。

圖2 PCB雙面板

圖2這一版本PCB是雙面板，晶振與其對(duì)應(yīng)的芯片W5500不在一個(gè)層面，XIN和XOUT兩個(gè)引腳引出后打了過孔，晶振時(shí)鐘走線過于曲折，與芯片距離比較遠(yuǎn)，可能會(huì)產(chǎn)生很多不必要的高次諧波，甚至形成發(fā)射天線。盡管PCB形狀和大小都有限制，但是晶振作為時(shí)鐘，屬于關(guān)鍵信號(hào)線，在布局上一定要從優(yōu)安排。

另外此版本晶振的位置離PCB板邊緣很近，晶振放在電路板邊緣，則會(huì)造成晶振的回流地面積不夠充裕，從而引發(fā)EMC問題。

3 EMC整改措施

優(yōu)化晶振的走線，降低干擾，通常有如下做法：

（1）晶振自身的屏蔽性能要好，晶振接地。

（2）晶振XIN和XOUT盡可能靠近IC引腳，走線盡可能短，與其他信號(hào)線保持一定距離，最好進(jìn)行包地。

（3）晶振底下最好不要走線，尤其需要避免高速信號(hào)線。

本次整改首先從雙面板改為四層板，四層板中的電源和地各自獨(dú)立一層，完整的地平面作為參考平面，這樣做有一定的屏蔽作用。對(duì)于高頻、高速、時(shí)鐘這類較為關(guān)鍵的信號(hào)線，它們與地線之間的距離僅為PCB板的層間距離，電流也會(huì)在信號(hào)線正下方的地線上流動(dòng)，信號(hào)環(huán)路面積達(dá)到最小，從而減小輻射。

晶振和芯片放在同一層面，盡可能靠近芯片引腳，減小芯片XIN和XOUT引腳到晶振兩個(gè)對(duì)應(yīng)引腳的走線長(zhǎng)度，并進(jìn)行包地處理，以免將干擾耦合到其他信號(hào)線，晶振的地包圍單點(diǎn)接到地層，詳見圖3。

5V進(jìn)電端和5V轉(zhuǎn)3.3V后的輸出端加去耦電容和磁珠，使電源紋波控制在5%以內(nèi)，增強(qiáng)電源的穩(wěn)定性和抗干擾性，減少雜波。W5500芯片的VDD和AVDD與3.3V之間用120R的磁珠隔開，減小電源雜波對(duì)芯片的干擾。元器件更換為同參數(shù)的屏蔽性能更好的晶振。

圖3 晶振走線示意圖

4 整改后測(cè)試結(jié)果

整改后產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果如圖4所示，最小余量為0.65，測(cè)試通過。

圖4 整改后發(fā)射水平和垂直兩種測(cè)試的頻譜

5 加深研究與分析

PCB是元器件和電子電路的連接橋梁，PCB設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響產(chǎn)品的抗干擾能力。PCB尺寸確定后，特殊元器件應(yīng)該優(yōu)先排布，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生諸多噪聲進(jìn)而引起EMC問題。

其次是地面完整性問題。輻射發(fā)射超標(biāo)的雙面板版本中，晶振并沒有進(jìn)行包地處理，PCB板元器件較多，元器件排布比較緊密，所以也沒有條件形成完整的地平面，晶振的走線也沒有達(dá)到最短，形成的噪聲耦合到旁邊的信號(hào)線也會(huì)通過連接器帶出PCB，導(dǎo)致輻射超標(biāo)。

最后就是晶振自身，在成本和電參數(shù)滿足的前提下，盡可能使用上升時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)鐘，因?yàn)樯仙龝r(shí)間短的時(shí)鐘諧波能量高于上升時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)鐘，上升時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)鐘可以減少一些諧波的干擾。另外，頻率低的時(shí)鐘諧波成分低于頻率高的時(shí)鐘，在系統(tǒng)可以正常工作的前提下，盡可能選擇頻率低的時(shí)鐘。

6 結(jié)束語

EMC輻射發(fā)射晶振倍頻超標(biāo)很難一次性處理好，所以項(xiàng)目前期需要格外重視晶振的布局、走線，并且盡可能的預(yù)留可以降干擾的元器件，以免出現(xiàn)問題后改板打樣，浪費(fèi)時(shí)間。其次選擇合適的可靠的晶振也尤為重要，如果EMC要求很嚴(yán)格，在成本允許的前提下，盡可能選擇大廠生產(chǎn)的晶振，并且了解晶振自身的檢測(cè)報(bào)告。在條件允許的情況下，項(xiàng)目前期最好進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

以上為本次晶振引發(fā)EMC輻射發(fā)射問題的分析與整改，通過更改PCB走線和布局，通過了產(chǎn)品的相關(guān)認(rèn)證。