O que está irradiando no meu PCB?

Recentemente, fiz um teste EMC adequado em um PCB meu. Ele falhou no teste e parece estar irradiando na região de 300MHz - 1GHz, com picos a cada 50MHz e pequenos picos nos 25MHz.

Olhando para o campo próximo, você pode ver claramente muitos harmônicos de 25 MHz em torno de:

A placa contém um cristal de 25 MHz, que deve ser a fonte do sinal, mas a pergunta é: o que a placa está irradiando? O que poderia ser a antena? Os candidatos em que consigo pensar são:

• O plano de terra atuando como uma antena remota de alimentação central. A placa é de 23 mm x 47 mm, o que a torna um quarto do comprimento de onda para cerca de 1,6 GHz!
• Os indutores nas fontes de alimentação. A placa contém TPS84250 e EN5312 integrado indutor comutação CIs de alimentação. Talvez o sinal de 25MHz esteja voltando aos indutores desses CIs e os utilizando como antenas.
• O cabo. Embora a adição de ferrites no cabo durante o teste não parecesse fazer nenhuma diferença, o que me leva a acreditar que é algo no próprio PCB.
• Algo mais? Não consigo pensar no que mais é grande o suficiente para irradiar em frequências tão baixas.

O equipamento em teste consiste em um par de PCBs empilhados juntos. O fundo contém o cristal de 25MHz e os chips que o utilizam. A parte superior contém os componentes da fonte de alimentação.

Pergunta para pontos de bônus: Como é possível que haja claramente muitos harmônicos de 25MHz no campo próximo, mas apenas harmônicos de 100MHz e 50MHz são detectáveis ​​no campo distante?

Esse é um problema difícil de abordar em algumas centenas de palavras; portanto, isso será breve e você precisará fazer algumas pesquisas por conta própria. Mas vou tentar resumir o suficiente para que você pelo menos saiba o que pesquisar.

Você precisa saber sobre impedância de rastreamento, terminação de sinal, caminhos de retorno de sinal e limites de desvio / desacoplamento. Se você as acertasse absolutamente, não haveria nenhum problema EMC. Ficar 100% perfeito é impossível, mas você pode se aproximar muito mais do que está agora.

Primeiro, vejamos os caminhos de retorno do sinal ... Para cada sinal, deve haver um caminho de retorno. Normalmente, o retorno é no plano de potência ou no solo, mas também pode estar em outro lugar. No seu PCB, o retorno é em um avião. O caminho de retorno vai do receptor de volta ao motorista. A área do loop é o loop físico criado pelo sinal mais o caminho de retorno. Normalmente, as leis da física fazem com que a área do loop seja a menor possível - mas o roteamento de PCBs quer atrapalhar isso.

Quanto maior a área do loop, mais problemas de RF você terá. Você não apenas emitirá mais RF do que deseja, como também receberá mais RF.

Os sinais na camada inferior (azul) desejam que seu caminho de retorno esteja no plano adjacente na próxima camada (ciano) - pois isso torna a área do loop a menor possível. Os sinais na camada superior (vermelha) terão seu caminho de retorno na camada dourada.

Se um sinal iniciar na camada superior e passar por uma via para a camada inferior, o caminho de retorno do sinal desejará alternar das camadas de ouro para ciano, no ponto da via! Essa é uma das principais funções da dissociação de tampas. Normalmente, um plano seria GND e o outro seria VCC. Um caminho de retorno de sinal pode atravessar a tampa de desacoplamento ao alternar entre planos. É por isso que geralmente é importante ter limites entre os planos, mesmo quando isso não é obviamente necessário por razões de energia.

Sem um limite de desacoplamento entre os planos, o caminho de retorno não pode seguir uma rota mais direta e, portanto, a área do loop aumenta de tamanho - e os problemas EMC aumentam.

Mas os vazios / divisões nos planos podem ser ainda mais problemáticos. Sua camada de ouro possui planos divididos e traços de sinal, que criam problemas. Se você comparar as camadas vermelha e dourada, verá como os sinais cruzam os vazios nos planos. Toda vez que um sinal atravessa um vazio no avião, algo vai dar errado. A corrente de retorno estará no avião, mas não poderá seguir o traço no vazio, portanto, terá que fazer um desvio importante. Isso aumenta a área do loop e seus problemas EMC.

Você pode colocar uma tampa no vazio, exatamente onde os sinais se cruzam. Mas uma abordagem melhor seria redirecionar as coisas para evitar isso em primeiro lugar.

Outra maneira de criar o mesmo problema é quando você tem várias vias próximas. A folga entre as vias e o avião pode criar fendas nos planos. Diminua a folga ou espalhe as vias para que o slot não se forme.

Ok, esse é o maior problema da sua diretoria. Depois de entender isso, você deve observar a terminação do sinal e controlar a impedância do traço. Depois disso, é necessário examinar os problemas de GND de blindagem e chassi com sua conexão Ethernet (não há informações suficientes no Q para comentar com precisão).

Espero que ajude. Eu realmente fiquei bêbado com os problemas, mas isso deve levá-lo adiante.

Depois de girar novamente minha prancha, o ruído parece ser significativamente reduzido. Fiz algumas alterações, por isso é difícil saber exatamente quais foram as responsáveis. Basicamente, copiei as precauções EMC usadas nos módulos Beckhoff EtherCAT

• Ferrites em todos os pinos de alimentação do ET1200 ASIC, com tampas antes e depois da ferrite.
• O capacitor 5pF, duas ferrites e o modo comum se afogam nas linhas LVDS de saída.
• Layout de cristal aprimorado, com plano de fundo completo por baixo. Também segui o conselho de Olin em relação à conexão do solo das calotas de cristal.

Quanto ao que está realmente irradiando? É difícil ter certeza, proteger o próprio ET1200 não pareceu ajudar. Nem adicionar ferrites ao cabo. A única coisa que ajudou foi colocar o PCB em uma caixa de metal. Então eu acho que era algo no PCB. Talvez o plano terrestre atuando como uma antena remota de alimentação central, como sugeriu Olin.

Eu acho que os harmônicos de 25MHz apontam para questões relacionadas à Ethernet. Não estou familiarizado com as recomendações da Micrel, mas a maioria dos outros fornecedores recomenda uma distância mínima entre phy e magnética, o que não é aparente em sua placa. Além disso, há um plano de aterramento contínuo embaixo dos magnéticos, o que também não é recomendado na maioria dos lugares.

É um pouco difícil dizer com as imagens de layout, mas parece que o traço que corre por baixo do phy se espalha e sai como uma boa antena na camada oposta. Isso pode ser confirmado com algumas investigações de campo próximo, talvez?

As coisas que aparecem no campo próximo e não distante, significam que não há caminho de acoplamento e antena eficazes para essa frequência, no meu entendimento.

Você está absolutamente certo de que tem tudo ignorado, certo? Eu tive um testador de EMC me dizendo que ele tinha uma placa que passou de uma passagem para outra porque eles haviam perdido um limite de derivação. Você também pode garantir que as tampas de desvio estejam funcionando da maneira que você deseja em 25MHz. Use um analisador de espectro com gerador de rastreamento e uma linha de 50 ohms com tampas soldadas e veja como eles realmente estão funcionando.

Penso que a resposta de David Kessner ainda é digna de consideração. Não acho que realmente tenhamos informações suficientes aqui.

Eu acho que o melhor seria alugar uma ou duas horas com um técnico experiente da EMC (talvez você tenha uma em casa) e absorver tudo o que ele lhe diz sobre sua diretoria.