Qu'est-ce qui irradie sur mon PCB?

J'ai récemment effectué un test de compatibilité électromagnétique sur un de mes circuits imprimés. Il a échoué au test et semble émettre dans la région de 300 MHz à 1 GHz, avec des pics tous les 50 MHz et de petits pics sur les 25 MHz.

En regardant le champ proche, vous pouvez clairement voir beaucoup d'harmoniques à 25 MHz autour de:

La carte contient un cristal de 25 MHz, qui doit être la source du signal, mais la question qui se pose est la suivante: qu'est-ce que la carte émet? Quelle pourrait être l'antenne? Les candidats auxquels je peux penser sont:

• Le plan de sol faisant office d’antenne patch alimentée au centre. La carte mesure 23 mm x 47 mm, ce qui en fait un quart de longueur d'onde pour environ 1,6 GHz!
• Les inducteurs dans les alimentations. La carte contient des circuits intégrés d’alimentation à commutation d’inducteurs TPS84250 et EN5312 . Peut-être que le signal à 25 MHz revient aux inductances de ces circuits intégrés et les utilise comme antennes.
• Le cable. Bien que l'ajout de ferrites sur le câble pendant le test n'ait pas semblé faire la différence, cela me porte à croire que c'est quelque chose qui se trouve sur le circuit imprimé même.
• Autre chose? Je ne peux pas penser à quoi d’autre est assez grand pour émettre à de si basses fréquences.

L'équipement en cours de test consiste en une paire de circuits imprimés empilés. Celui du bas contient le cristal de 25 MHz et les puces qui l’utilisent. Le premier contient les composants de l'alimentation.

Question sur les points bonus: Comment se fait-il qu'il y ait clairement beaucoup d'harmoniques à 25 MHz dans le champ proche, alors que seules les harmoniques à 100 MHz et à 50 MHz sont détectables dans le champ lointain?

Il s'agit d'un problème difficile à couvrir en quelques centaines de mots. Ce sera donc brève et il vous suffira de faire quelques recherches par vous-même. Mais je vais essayer de le résumer suffisamment pour que vous sachiez au moins quoi rechercher.

Vous devez connaître l’impédance de trace, la terminaison du signal, les chemins de retour du signal et les plafonds de contournement / découplage. Si vous obteniez ces réponses parfaitement correctes, vous n'auriez aucun problème de CEM. Il est impossible de le rendre parfait à 100%, mais vous pouvez vous en approcher beaucoup plus près que maintenant.

Examinons d’abord les chemins de retour du signal ... Pour chaque signal, il doit y avoir un chemin de retour. Normalement, le retour se fait sur le plan de la puissance ou du sol, mais il pourrait également être ailleurs. Sur votre circuit imprimé, le retour est dans un avion. Le chemin de retour va du récepteur au pilote. La zone de boucle est la boucle physique créée par le signal plus le chemin de retour. Normalement, selon les lois de la physique, la zone de boucle sera aussi petite que possible - mais le routage des cartes à circuits imprimés veut tout gâcher.

Plus la zone de boucle est grande, plus vous aurez de problèmes RF. Non seulement vous allez émettre plus de RF que vous ne le souhaitez, mais vous recevrez également plus de RF.

Les signaux sur la couche inférieure (bleue) voudront que leur chemin de retour se trouve sur le plan adjacent sur la couche suivante (cyan) - car cela rend la zone de boucle aussi petite que possible. Les signaux sur la couche supérieure (rouge) auront leur chemin de retour sur la couche or.

Si un signal commence sur la couche supérieure puis passe par un via vers la couche inférieure, le chemin de retour du signal voudra passer des couches dorée à cyan, au point de la via! C'est une fonction majeure du découplage des bouchons. Normalement, un avion serait GND et l'autre, VCC. Un chemin de retour de signal peut passer par le capuchon de découplage lors de la commutation entre les plans. C’est pourquoi il est souvent important d’avoir des bouchons entre les avions même lorsque cela n’est pas manifestement nécessaire pour des raisons de puissance.

Sans capuchon de découplage entre les plans, la voie de retour ne peut pas suivre une route plus directe et la zone de boucle augmente donc en taille, tout comme les problèmes de CEM.

Mais les vides / divisions dans les plans peuvent être encore plus problématiques. Votre couche d'or a des plans divisés et des traces de signal, ce qui crée des problèmes. Si vous comparez les couches rouge et or, vous verrez comment les signaux traversent les vides dans les plans. Chaque fois qu'un signal traverse un vide dans l'avion, quelque chose se passe mal. Le courant de retour va être dans l'avion, mais il ne peut pas suivre la trace à travers le vide, il doit donc faire un détour majeur. Cela augmente la surface de boucle et vos problèmes de CEM.

Vous pouvez placer une casquette dans le vide, là où les signaux se croisent. Mais une meilleure approche serait de changer les choses pour éviter cela en premier lieu.

Le même problème peut également être créé lorsque plusieurs vias sont proches les uns des autres. Le jeu entre les vias et l’avion peut créer des fentes dans les avions. Diminuez le jeu ou répartissez les traversées afin qu’aucune fente ne se forme.

Ok, alors c’est le plus gros problème de votre conseil. Une fois que vous avez compris cela, vous devez examiner la terminaison du signal et le contrôle de l’impédance de trace. Après cela, vous devez examiner les problèmes de blindage et de mise à la masse du châssis avec votre connexion Ethernet (pas assez d’informations dans le Q pour commenter avec précision).

J'espère que ça aide. Je me suis vraiment intéressé aux problèmes, mais cela devrait vous faire avancer.

Après avoir re-filé ma planche, le bruit semble être considérablement réduit. J'ai fait pas mal de changements, il est donc difficile de savoir lesquels sont responsables. Fondamentalement, j'ai copié les précautions CEM utilisées dans les modules Beckhoff EtherCAT

• Des ferrites sur toutes les broches d'alimentation de l'ASIC ET1200, avec des capuchons avant et après la ferrite.
• Condensateur 5pF, deux ferrites et self de mode commun sur les lignes LVDS sortantes.
• Disposition cristalline améliorée, avec plan de sol complet en dessous. J'ai également suivi les conseils d'Olin concernant la connexion de la masse des bouchons de charge du cristal.

En ce qui concerne ce qui est réellement rayonnant? Il est difficile d’en être sûr, protéger l’ET1200 n’a pas semblé lui être utile. Ni l'ajout de ferrites au câble. La seule chose qui a aidé a été de fermer le circuit imprimé dans une boîte en métal. Donc, je suppose que c'était quelque chose sur le PCB. Peut-être le plan de masse faisant-il office d'antenne patch alimentée au centre, comme suggéré par Olin.

Je pense que les harmoniques à 25 MHz indiquent des problèmes liés à l’éthernet. Je ne connais pas bien les recommandations de Micrel, mais la plupart des autres constructeurs recommandent une distance minimale entre phy et magnétisme, ce qui n’apparaît pas sur votre tableau. En outre, il y a un plan de masse continu sous le magnétisme, ce qui n'est pas recommandé dans la plupart des endroits.

Il est assez difficile de dire avec les images de mise en page, mais cela ressemble à la trace qui passe sous la phy, puis qui sort et sort comme une belle antenne sur la couche opposée. Cela pourrait être confirmé avec des sondages en champ proche, peut-être?

Les choses qui apparaissent dans le champ proche et pas très loin signifient qu’il n’ya ni voie de couplage ni antenne efficaces pour cette fréquence, à ma connaissance.

Etes-vous absolument certain que tout est évité? J'ai eu un testeur de CEM me dit qu'il avait un conseil qui est passé de ne pas passer à passer parce qu'ils avaient manqué un bouchon de dérivation. Vous pouvez également vous assurer que vos seuils de dérivation fonctionnent comme vous le souhaitez à 25 MHz. Utilisez un analyseur de spectre avec générateur de suivi et une barrette striée de 50 ohms avec des bouchons soudés sur celui-ci, et voyez comment ils fonctionnent.

Je pense que la réponse de David Kessner est toujours digne de considération. Je ne pense pas que nous ayons vraiment assez d'informations complètes ici.

Je pense que le mieux serait de louer une heure ou deux avec un technicien emc expérimenté (peut-être en avez-vous une en interne) et d’absorber tout ce qu’il vous dit à propos de votre conseil.