PCBに何が放射されていますか？

私は最近、私のPCBで適切なEMCテストを行いました。テストに失敗し、300MHz〜1GHzの領域で放射しているようで、50MHzごとにピークがあり、25MHzでピークがほとんどありません。

近接場を見ると、周囲に25MHzの高調波が多く見られます。

ボードには25MHzの水晶が含まれており、これが信号のソースである必要がありますが、問題は、ボード上の何が放射しているかということです。アンテナは何でしょうか？私が考えることができる候補者は次のとおりです。

• 中心給電パッチアンテナとして機能するグランドプレーン。ボードは23mm x 47mmで、約1.6GHzで1/4波長になります！
• 電源のインダクタ。このボードには、TPS84250およびEN5312 統合インダクタスイッチング電源IC が含まれています。おそらく25MHzの信号は、これらのICのインダクタに戻り、アンテナとして使用している可能性があります。
• ケーブル。テスト中にケーブルにフェライトを追加しても違いは見られませんでしたが、それはPCB自体に何かがあると思うようになります。
• 他に何か？このような低周波数で放射するのに十分な大きさのものは他にはありません。

テスト対象機器は、積み重ねられた1組のPCBで構成されています。一番下には25MHzの水晶とそれを使用するチップが含まれています。上部には電源コンポーネントが含まれています。

ボーナスポイントについての質問：近距離場では25MHzの高調波が明らかに多く存在するのに、遠距離場では100MHzと50MHzの高調波しか検出できないのはどうしてですか？

これは数百の単語でカバーするのが難しい問題なので、これは簡単であり、自分で調査する必要があります。しかし、少なくともあなたが何を研究するべきか知っているように、私はそれを十分に要約しようとします。

トレースインピーダンス、信号終端、信号リターンパス、バイパス/デカップリングキャップについて知る必要があります。これらが完全に正しい場合、EMCの問題はゼロです。100％完璧にすることは不可能ですが、現在よりもはるかに近づくことができます。

まず、信号のリターンパスを見てみましょう...すべての信号に対してリターンパスが必要です。通常、リターンは電源またはグランドプレーン上にありますが、他の場所にもある可能性があります。PCBでは、戻りは平面上にあります。リターンパスは、レシーバーからドライバーに戻ります。ループ領域は、信号とリターンパスによって作成される物理ループです。通常、物理学の法則により、ループ領域は可能な限り小さくなりますが、PCBルーティングはそれを台無しにします。

ループ領域が大きいほど、RFの問題が多くなります。必要以上のRFを放射するだけでなく、より多くのRFを受信します。

最下層（青）の信号は、次の層（シアン）の隣接するプレーンにリターンパスが必要です。ループ領域をできる限り小さくするためです。最上層（赤）の信号は、金層にリターンパスがあります。

信号が最上層で開始し、ビアを介して最下層に到達する場合、信号の戻りパスは、ビアのポイントで金層からシアン層に切り替えます。これは、デカップリングキャップの主要な機能です。通常、1つのプレーンはGNDで、もう1つのプレーンはVCCです。プレーン間を切り替えるとき、信号リターンパスはデカップリングキャップを通過できます。そのため、電力上の理由から明らかに必要でない場合でも、プレーン間にキャップを付けることがしばしば重要です。

プレーン間のデカップリングキャップがないと、リターンパスはより直接的なルートを取ることができないため、ループ領域のサイズが大きくなり、EMCの問題が増加します。

しかし、平面内のボイド/スプリットはさらに問題になる可能性があります。金層には分割面と信号トレースがあり、問題が発生します。赤と金のレイヤーを比較すると、信号がプレーンのボイドをどのように横切るかがわかります。信号が飛行機の空所を通過するたびに、何かが悪くなります。戻り電流は平面上にありますが、ボイドを横切ってトレースをたどることができないため、大きな迂回をする必要があります。これにより、ループ領域とEMCの問題が増加します。

信号が交差する場所の空隙にキャップを配置できます。しかし、より良いアプローチは、そもそもこれを回避するために物事を再ルーティングすることです。

同じ問題が発生する別の方法は、互いに近い複数のビアがある場合です。ビアとプレーン間のクリアランスにより、プレーンにスロットが作成される場合があります。クリアランスを減らすか、ビアを広げてスロットが形成されないようにします。

OK、それがあなたのボードの最大の問題です。それを理解したら、信号の終端とトレースインピーダンスの制御を検討する必要があります。その後、イーサネット接続でのシールドとシャーシGNDの問題を確認する必要があります（Qに十分な情報がないため、正確にコメントできません）。

それがお役に立てば幸いです。私は問題に本当に苦しんでいましたが、それでうまくいきます。

ボードを再スピンすると、ノイズは大幅に減少したようです。私はかなりの数の変更を加えたため、どの変更が原因であるかを正確に知ることは困難です。基本的に、Beckhoff EtherCATモジュールで使用されているEMC予防措置をコピーしました

• ET1200 ASICのすべての電源ピンのフェライト。フェライトの前後にキャップが付いています。
• 5pFコンデンサ、2つのフェライト、および発信LVDSライン上のコモンモードチョーク。
• 結晶レイアウトが改善され、下に完全なグランドプレーンがあります。また、水晶のロードキャップのグランドの接続に関するOlinのアドバイスに従いました。

実際に何が放射されているのか？ET1200自体のシールドは役に立たなかったようです。また、ケーブルにフェライトを追加しませんでした。助けになったのは、PCBを金属製の箱に入れることだけでした。だから、PCB上の何かだったと思う。おそらく、Olinが示唆したように、グランドプレーンは中心給電パッチアンテナとして機能します。

25MHzの高調波は、イーサネット関連の問題を指していると思います。Micrelの推奨事項には精通していませんが、他のほとんどのベンダーは、phyとMagnetics間の最小距離を推奨していますが、これはボード上では明らかではありません。また、マグネティックスの下には連続したグランドプレーンがありますが、これもほとんどの場所では推奨されません。

レイアウトの写真で伝えるのはかなり難しいですが、物理層の下を走り抜けて反対側の層の素敵なアンテナとして出てくるトレースのように見えます。これは、おそらく近距離プローブで確認できますか？

私の理解では、遠くではなく近くの場に現れるものは、その周波数に対する有効な結合経路とアンテナがないことを意味します。

あなたはすべてが正しくバイパスされていることを絶対に確信していますか？emcテスターに​​、1つのバイパスキャップを逃したため、パスしないからパスするボードが1つあったと教えてもらいました。また、バイパスキャップが25MHzで希望どおりに機能していることを確認することもできます。トラッキングジェネレーターと50オームのストリップラインとそれにはんだ付けされたキャップを備えたスペクトルアナライザーを使用して、実際にどのように機能するかを確認します。

David Kessnerの答えはまだ検討に値すると思います。ここに十分な情報が揃っているとは思えません。

経験豊富なemc技術を使って1時間か2時間借りるのが一番だと思います（たぶんあなたは社内に1人いるでしょう）。