本文主要對(duì)晶振對(duì)輻射發(fā)射的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并總結(jié)晶振的EMC設(shè)計(jì)要求。

Part 1

現(xiàn)象描述

某產(chǎn)品，系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊設(shè)計(jì)，并采用背板結(jié)構(gòu)，如下圖：

產(chǎn)品中有很多子模塊，模塊和背板之間通過相對(duì)應(yīng)的連接器連接。背板主要起到連接各個(gè)子模塊，充當(dāng)子模塊之間通信的橋梁。

每個(gè)模塊都單獨(dú)的屏蔽設(shè)計(jì), 背板也進(jìn)行了屏蔽設(shè)計(jì)? 但是在進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí), 發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射測(cè)試超標(biāo)。超標(biāo)頻點(diǎn)是350MHz, 測(cè)試頻譜圖如圖所示：

圖中粗折線為標(biāo)準(zhǔn)限值曲線，用近場(chǎng)探頭進(jìn)行定位測(cè)試,最終確認(rèn)是其中一模塊與背板之間的接插處輻射泄漏導(dǎo)致, 該頻率點(diǎn)的源頭是模塊內(nèi)部PCB中的50MHz（其7次諧波為350MHz）晶振。

既然子模塊和背板都有一定的屏蔽設(shè)計(jì)，那為什么還會(huì)有輻射泄露出來呢？下面我們進(jìn)行詳細(xì)分析。

Part 2

原因分析

據(jù)了解，該產(chǎn)品由于工作在室外，所以需要進(jìn)行防水處理，本產(chǎn)品采用橡膠墊圈將子模塊和背板之間的連接處進(jìn)行密封。

由于防水墊圈是非導(dǎo)電的, 因此存在屏蔽的 “縫隙”，這將很可能成為輻射的漏洞?

拆下子模塊后, 給模塊單獨(dú)上電, 用近場(chǎng)探頭對(duì)其進(jìn)行測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)該模塊與背板的連接器處有350MHz頻點(diǎn)的輻射，這和我們測(cè)試的輻射發(fā)射超標(biāo)點(diǎn)相吻合，因此證明了該輻射頻點(diǎn)來自于和背板相連的連接器處?

上圖為子模塊的PCB布局圖，圖中無阻焊層主要用于焊接屏蔽罩，可以看到，連接器在屏蔽罩內(nèi)部，晶振位于屏蔽罩外部。

所以晶振外殼不可能直接通過空間輻射影響連接器，因?yàn)檩椛渎窂揭呀?jīng)被屏蔽罩隔絕, 唯一輻射的可能是連接器中的信號(hào)線, 很有可能耦合到了來自晶振或時(shí)鐘信號(hào)線的噪聲, 這些信號(hào)線相當(dāng)于成為被噪聲驅(qū)動(dòng)的輻射天線?

從該 PCB 的布局及布線看, 主要存在如下問題：

晶振下表層PCB未做局部地平面敷銅處理。

完整的地平面可以為晶振及相關(guān)電路內(nèi)部產(chǎn)生的共模RF電流提供通路，從而使RF發(fā)射最小。

傳輸?shù)竭B接器的信號(hào)線很多從50MHz晶振底下穿過。

這不僅會(huì)破壞晶振下方完整的地平面，而且必然會(huì)將50MHz晶振產(chǎn)生的噪聲通過容性耦合的方式耦合到穿過它下面的信號(hào)線，從而使得這些信號(hào)線帶有共模電壓噪聲，而這些信號(hào)線又延伸出了PCB上的屏蔽體，這樣會(huì)將噪聲帶出屏蔽體。

這是一種典型的共模輻射模型，其原理如下所示：

晶振的位置離接口太近。

可見，形成輻射的兩個(gè)必要條件已經(jīng)形成了，即驅(qū)動(dòng)源和天線，輻射自然也就產(chǎn)生。

與接口連接的信號(hào)線與晶振之間耦合形成了驅(qū)動(dòng)電壓。

與接口相連的信號(hào)線或PCB地層成為了被驅(qū)動(dòng)的輻射天線。

Part 3

處理措施

為解決以上的輻射問題， 通過對(duì)上面輻射的原因分析，可以采用以下幾種方法：

晶振底下的PCB層做敷銅處理，并且晶振底下不能有其它信號(hào)穿過，從而保證晶振底下的地平面完整，并且和其它層的地平面通過過孔連通。

晶振底下保證地平面完整的原因是：

本產(chǎn)品采用多層板技術(shù)，擁有完整地平面的信號(hào)本身和回流信號(hào)方向相反、大小相等，可以很好地相互抵消彼此形成的磁場(chǎng)。

但是，當(dāng)?shù)仄矫娌煌暾麜r(shí)，回流路徑中的電流與信號(hào)本身的電流不能相互抵消（實(shí)際上這種電流不平衡是不可避免的），必然產(chǎn)生一小部分大小相等、 方向相同的共模電流。

尤其是晶振這樣的高噪聲器件。共模電流會(huì)形成共模電壓，耦合到參考平面下方的信號(hào)線上， 使之成為一個(gè)輻射天線，將干擾信號(hào)輻射出去。

如上圖所示的是多層板外層上的信號(hào)線共模輻射等效模型。

從高頻角度分析，參考平面相當(dāng)于回流導(dǎo)體，可能有高頻交流電壓。

差模電流IDM在信號(hào)線下面的參考平面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)共模電壓降UCM，UCM激勵(lì)與之連接的信號(hào)線，從而形成輻射 。

將晶振盡量往板內(nèi)移， 并保持其它信號(hào)線離晶振有300mil以上的距離。

改進(jìn)原來屏蔽的缺陷，將所有與輻射相關(guān)的部分（包括天線和驅(qū)動(dòng)源）進(jìn)行屏蔽， 即將模塊與背板之間的防水墊圈改成導(dǎo)電的密封圈，實(shí)現(xiàn)整機(jī)屏蔽的完整性。

取消輻射的天線。不過這個(gè)措施在本產(chǎn)品中明顯很難實(shí)現(xiàn)，除非改變產(chǎn)品的架構(gòu)。

通過以上處理，用近場(chǎng)探頭在連接器附近再進(jìn)行測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)350MHz頻點(diǎn)的輻射減小10dB以上，從而滿足了相關(guān)輻射發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)限值。

Part 4

思考和啟示

經(jīng)過上面的分析，我們都可以得到下面的結(jié)論：

防水與屏蔽要統(tǒng)一，不要為了防水而忽視了屏蔽的完整性。

晶振底下不能布信號(hào)線， 特別是與對(duì)外接口直接相連的信號(hào)。

在晶振和時(shí)鐘電路下面的地平面要保持完整性，這樣可以為晶振及相關(guān)電路內(nèi)部產(chǎn)生的共模RF電流提供通路， 從而使RF發(fā)射最小。

晶振不能距離板邊太近、可以考慮1cm以上，晶振的外殼必須接地，否則易導(dǎo)致晶振輻射超標(biāo)。

除了以上要注意的事項(xiàng)，晶振電路在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮以下幾點(diǎn)：

耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，按電源流入方向，依容值從大到小順序擺放，晶振位置盡量靠近MCU。

走線應(yīng)盡量短，線寬大一些，保證至少在8mil以上，以減少噪聲干擾及分布電容對(duì)晶振的影響。

晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號(hào)流向排布，靠近晶振擺放整齊緊湊。

盡可能保證晶振周圍沒有其它元器件，防止器件之間的相互干擾，晶振周圍300mil內(nèi)禁止布線。

晶振電源要去耦，可以加磁珠和去耦電容，有條件的可以用LDO供電。

晶振輸出串電阻，可以是幾十歐姆，另外加22或者33PF的電容，電容到地路徑要短。

審核編輯：彭菁