关键信号线未布内层-电源地平面分割不合理

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关键信号线未布内层-电源地平面分割不合理

    关键信号线特别是时钟线要走内层也是PCB 布线的一个基本常识。但是哪些线属于关键信号线呢？人们往往十分注意从晶体、晶振、时钟驱动器里面出来的时钟线，却往往忽视了另一类具有周期性质的走线——譬如特定的地址线。
    对于周期性信号线不仅仅自身要避免在表层过多走线，而且对于在内部与之并行临近的走线也要考虑是否允许通过过孔走出内层。
    经典案例描述
    某产品在ＲＥ测试时候，在37.5M 处存在较大的辐射，测试曲线如下：
    PCB关键信号线未布内层

    因为37.5M 是 12.5M 的 3 倍频，我们怀疑与板上 25M 晶振有关，于是将输出端 33ohm 电阻断开，结果 37.5M 辐射没了，附近频段也很干净。这说明 37.5M 频点确实和 25M 时钟有关。
    经过分析，我们发现37M 时钟流向图是
    PCB关键信号线未布内层

    FPGA 出来的 A0、 A1、 A2、 A3、 A4 地址线，在无业务状态下，根据协议要求 A3/A4 将产生规则的 01010101......交替信号，由 25M 时钟上升沿触发，其频率是 12.5MHz。 37.5MHZ 正是其 3次谐波。而协议要求 A0 A1 A2 电平每变化一次要加入 1F，其信号不是周期性变化的方波。由于我们一般认为地址线的干扰较小，不会产生周期性干扰，所以在 PCB 布局布线时没有注意，走在表面层，并且走线很长，到达背板后延伸至其他单板。实际这两位地址线中的信号却是周期性的矩形波，与时钟信号波形完全相同。较长的走线，周期性变化的信号，加上表面走线导致这一段线路的辐射超标。测试时候我们切断 A3 A4 两根地址线的始端匹配电阻， 37.5M 干扰消失，证明了我们的判断是正确的。
    在后来的改板中纠正了设计缺陷后，37.5M 干扰不再出现。

    电源地平面分割不合理
    在测试的时候，电源地的分割问题也是最容易出问题的地方之一。电源地平面地分割问题是PCB EMC 设计中存在地老问题，不同的工程师有不同的看法，甚至到现在也没有达成统一。目前存在两种意见：
    观点一：隔离信号地系统
    单板的GND 是个独立的系统，不和 PGND 发生联系，与设备内部形成闭环系统，只通过 DC/DC与外部相连。板上地 PGND 是结构在背板、单板上的延伸，用于屏蔽、防护器件的能量泄放、防静电。 BGND 是-48 的回流线，出于安全考虑， BGND 要和结构外壳连接，单点连接即可，通常在电源单元进设备的入口处，或者设备的供电柜上作 BGND 和 PGND 短接。
    GND 作为数字信号的回流地，主要是同低压电源发生能量传递关系，其绝对电位并不会影响工作状态，重要的是与电源之间产生稳定的电位差给器件工作。因而出于担心 GND 上面存在干扰电平或者绝对电位与机壳不一致而将其连接起来的做法理由并不充分。业内现阶段流行 GND 与机架连接的目的是遏制 GND 上的高频噪声。
    GND 和相应的电源作为一个隔离的系统，不会产生静电积累问题。静电积累是有前提条件，首先要有物质之间的相互摩擦；其次这种摩擦能够导致大量的电荷转移；第三，能够引起静电积累材料的往往都是绝缘的非金属，因为这些物质自身不能同空气发生缓慢的放电过程，金属和其它导电物质具备向空气缓慢放电地特质，因此它们不易产生静电积累。只要将 GND 完全隔离，避免使其和外界发生摩擦，就没有必要给 GND 接电阻到结构以泄放静电电荷。
    观点二：统一信号地系统
    产品的GND 和结构主体彻底合并成同一个网络， PGND 代表结构和结构在背（单）板上的衍生网络， PGND 在电气网络上就是 GND。这个方案的关键是如何“统一”！GND和结构之间连接关系只有“多点接地”才是满足EMC要求的。因此每块单板需要搭配金属大平板，螺钉连接以保证良好接地，并且接地点之间间距满足二十分之一波长规则。
    当GND 作为信号回流通道时它就是 GND，当作为静电泄放、屏蔽等用途时又是 PGND。这种“一地两用”地理论基础是高频电路与电磁场和电磁波理论。对任何信号而言，信号回流走最低阻抗通道，不是物理上的最小路径。到了高频下，趋肤效应显著，即使一块金属板，正面和反面对高频都是两个通道。最低阻抗地原则和趋肤效应保证了即使 GND 接到结构上，高速信号地回流也不会到处都是，它始终在信号线的下方，与信号线互为耦合，环路电感达到最小。这种做法是随着电子产品信号频率不断升高，电磁兼容要求日益严酷的背景下应运而生的。实现这个规划的难度在于这个方案考虑了高频但是对低频干扰存在风险，由于结构与 GND 在事实上连在一起，因此，结构必须良好接大地。否则不但不能泄放干扰，相反还会引导干扰损坏器件。实现该方案的第二个难度在于“接地”。单板的 GND 如果通过单点和结构相连，这不是 EMC 的“接地”，这样做的后果是：高频干扰依然没有遏制，却给了低频干扰一个通道长驱直入。 EMC 接地必须多点把 GND 连接到结构，其次接地点之间地间距满足设备最高的主要工作频率波长的二十分之一。第三，不能完全指望螺钉接地，单板必须是金属化孔亮铜直接与结构平面“面－面”接触，并且压紧，螺钉可以用尼龙的，因为螺钉不是接地用的，螺钉达不到高频接地要求。落实这几条措施才是达到“GND 接地”地目的，否则只是形式上的接地，事实上的“不良接地”。
    这个方案的优点是GND 上的干扰通过结构低阻抗通道泄放到大地，减小空间辐射幅度，有利于 EMC。不足是增加接地系统的复杂性，并且结构成本有增加。
    BGND 是-48 的回流线，同样原因， BGND 要和结构外壳连接，单点连接即可。这个方案的结果是 DC/DC 两端的地通过结构短接在一起。用直流的眼光看， BGND、 PGND、 GND 是等电位。为了达到 DC/DC 输入输出两端交流隔离的目的，一般要求 BGND 仅仅单点连接结构，并且只在设备电源入口。
    对于采用－48V 的单板，其－48V 电源和地平面（走线）应当注意，在单板上，电源部分必须单独划分出去，要充分考虑不要和单板上面信号部分产生干扰。因为数字干扰很容易通过电源线辐射出去。+
    经典案例—— －48V桌上型电源适配器地受信号地耦合造成干扰
    某基带框在RE 测试时发现在频点 32.76MHZ 处辐射较高，准峰值为 53.8dB 超过 CLASS A 限值近4dB，结果如下图所示

    图1 RE 测试频谱图
    在定位过程中发现，主控板不插在槽位的时候辐射就消失，只要主控板一插上无论其它单板如何配置，该点得辐射均存在。过程中还发现在电源线上串上磁环，该点的辐射也消失。
    为了确定辐射源的耦合途径,首先对背板和主控板的 PCB 进行了详细的审查，发现
    1 cellbus 时钟走线是采用两端匹配的方式，通过上拉电阻匹配到 VTT 层，原理图如下：
    2 VTT 和-48V、 -48V_GND 的电源平面有大面积的重合。

    如果VTT 滤波电容选择不合理，可能会把干扰传入 VTT 层，而 VTT 层与－48V 电源层在主控板上有大面积的重合，－48V 电源层很有可能被耦合到干扰。
    最后经过定位确认正是VTT 电源层受到 CELLBUS 的影响后，对－48V 电源层耦合，然后通过电源线对外辐射造成超标。


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| 发布时间：2018.05.24 来源：电源适配器厂家

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