晶振的EMC设计要求

EMC电磁兼容 2023-08-17 28209

电子说

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描述

本文主要对晶振对辐射发射的影响进行简要分析，并总结晶振的EMC设计要求。

Part 1

现象描述

某产品，系统架构采用模块设计，并采用背板结构，如下图：

产品中有很多子模块，模块和背板之间通过相对应的连接器连接。背板主要起到连接各个子模块，充当子模块之间通信的桥梁。

每个模块都单独的屏蔽设计, 背板也进行了屏蔽设计｡但是在进行辐射发射测试时, 发现辐射发射测试超标。超标频点是350MHz, 测试频谱图如图所示：

图中粗折线为标准限值曲线，用近场探头进行定位测试,最终确认是其中一模块与背板之间的接插处辐射泄漏导致, 该频率点的源头是模块内部PCB中的50MHz（其7次谐波为350MHz）晶振。

既然子模块和背板都有一定的屏蔽设计，那为什么还会有辐射泄露出来呢？下面我们进行详细分析。

Part 2

原因分析

据了解，该产品由于工作在室外，所以需要进行防水处理，本产品采用橡胶垫圈将子模块和背板之间的连接处进行密封。

由于防水垫圈是非导电的, 因此存在屏蔽的 “缝隙”，这将很可能成为辐射的漏洞｡

拆下子模块后, 给模块单独上电, 用近场探头对其进行测试, 发现该模块与背板的连接器处有350MHz频点的辐射，这和我们测试的辐射发射超标点相吻合，因此证明了该辐射频点来自于和背板相连的连接器处｡

上图为子模块的PCB布局图，图中无阻焊层主要用于焊接屏蔽罩，可以看到，连接器在屏蔽罩内部，晶振位于屏蔽罩外部。

所以晶振外壳不可能直接通过空间辐射影响连接器，因为辐射路径已经被屏蔽罩隔绝, 唯一辐射的可能是连接器中的信号线, 很有可能耦合到了来自晶振或时钟信号线的噪声, 这些信号线相当于成为被噪声驱动的辐射天线｡

从该 PCB 的布局及布线看, 主要存在如下问题：

晶振下表层PCB未做局部地平面敷铜处理。

完整的地平面可以为晶振及相关电路内部产生的共模RF电流提供通路，从而使RF发射最小。

传输到连接器的信号线很多从50MHz晶振底下穿过。

这不仅会破坏晶振下方完整的地平面，而且必然会将50MHz晶振产生的噪声通过容性耦合的方式耦合到穿过它下面的信号线，从而使得这些信号线带有共模电压噪声，而这些信号线又延伸出了PCB上的屏蔽体，这样会将噪声带出屏蔽体。

这是一种典型的共模辐射模型，其原理如下所示：

晶振的位置离接口太近。

可见，形成辐射的两个必要条件已经形成了，即驱动源和天线，辐射自然也就产生。

与接口连接的信号线与晶振之间耦合形成了驱动电压。

与接口相连的信号线或PCB地层成为了被驱动的辐射天线。

Part 3

处理措施

为解决以上的辐射问题，通过对上面辐射的原因分析，可以采用以下几种方法：

晶振底下的PCB层做敷铜处理，并且晶振底下不能有其它信号穿过，从而保证晶振底下的地平面完整，并且和其它层的地平面通过过孔连通。

晶振底下保证地平面完整的原因是：

本产品采用多层板技术，拥有完整地平面的信号本身和回流信号方向相反、大小相等，可以很好地相互抵消彼此形成的磁场。

但是，当地平面不完整时，回流路径中的电流与信号本身的电流不能相互抵消（实际上这种电流不平衡是不可避免的），必然产生一小部分大小相等、方向相同的共模电流。

尤其是晶振这样的高噪声器件。共模电流会形成共模电压，耦合到参考平面下方的信号线上，使之成为一个辐射天线，将干扰信号辐射出去。

如上图所示的是多层板外层上的信号线共模辐射等效模型。

从高频角度分析，参考平面相当于回流导体，可能有高频交流电压。

差模电流IDM在信号线下面的参考平面上会产生一个共模电压降UCM，UCM激励与之连接的信号线，从而形成辐射。

将晶振尽量往板内移，并保持其它信号线离晶振有300mil以上的距离。

改进原来屏蔽的缺陷，将所有与辐射相关的部分（包括天线和驱动源）进行屏蔽，即将模块与背板之间的防水垫圈改成导电的密封圈，实现整机屏蔽的完整性。

取消辐射的天线。不过这个措施在本产品中明显很难实现，除非改变产品的架构。

通过以上处理，用近场探头在连接器附近再进行测试，发现350MHz频点的辐射减小10dB以上，从而满足了相关辐射发射的标准限值。

Part 4

思考和启示

经过上面的分析，我们都可以得到下面的结论：

防水与屏蔽要统一，不要为了防水而忽视了屏蔽的完整性。

晶振底下不能布信号线，特别是与对外接口直接相连的信号。

在晶振和时钟电路下面的地平面要保持完整性，这样可以为晶振及相关电路内部产生的共模RF电流提供通路，从而使RF发射最小。

晶振不能距离板边太近、可以考虑1cm以上，晶振的外壳必须接地，否则易导致晶振辐射超标。

除了以上要注意的事项，晶振电路在设计时还要考虑以下几点：

耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，按电源流入方向，依容值从大到小顺序摆放，晶振位置尽量靠近MCU。

走线应尽量短，线宽大一些，保证至少在8mil以上，以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

晶振的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布，靠近晶振摆放整齐紧凑。

尽可能保证晶振周围没有其它元器件，防止器件之间的相互干扰，晶振周围300mil内禁止布线。

晶振电源要去耦，可以加磁珠和去耦电容，有条件的可以用LDO供电。

晶振输出串电阻，可以是几十欧姆，另外加22或者33PF的电容，电容到地路径要短。

审核编辑：彭菁

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