高频辐射超标的终极原因

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高频辐射超标的终极原因 [复制链接]

一、产品简介

某工控产品内部有电源、控制板、电源板三部分组成，辐射发射测试超标，测试标准为EN55032-Class B，具体产品和测试数据如下：

 

 

二、测试数据分析

测试数据中，1、2、3、5这几个超标点都是单支（窄带干扰），其频率间隔是125MHz，所以是板子上125MHz时钟的倍频引起的超标。超标的频率范围是500-900MHz，属于高频范围，而低频几乎没有噪声（125MHz，250MHz，375MHz并不超标，甚至没有噪声），为什么呢？

 

三、辐射超标的原因

125MHz的时钟很容易找到，因为一个产品里的时钟CLK是有限的，而且很多时候频率各不相同，这个工控产品里所有的125MHz的时钟如下图所示：

 

产品的CPU（RK3399）和PHY芯片（RTL8211E）之间有三个125MHz的时钟，到底是哪个引起的超标，或者三个都超标？

于是我用控制变量法逐个进行滤波，发现并没有什么改善，甚至把三个125MHz时钟走线从源头割断，噪声并没有降低，依旧超标。说明超标的噪声跟这三个125MHz时钟没有直接的关系。

后来我把PHY芯片的25MHz无源晶体去掉，噪声就彻底消失了。但这并不能说超标是25MHz晶体引起的，因为去掉晶体之后，PHY芯片也没办法正常工作了。不过这个措施基本可以确定噪声是PHY芯片出来的，所以需要认真分析PHY芯片以及其PCB布局。于是我下载了PHY芯片的规格书，分析其可能存在的问题。

 

从上图PHY芯片引脚分布图中可以看出来，35号引脚（CLKOUT引脚）是PHY芯片给CPU提供的125MHz的参考时钟，而34号引脚（LED2引脚）是连接到RJ45网口的指示灯。这两个引脚靠的很近，指示灯走线很可能耦合到125MHz的噪声从而辐射出去。 

 

 

上图黄色高亮部分是LED的走线，可以看到：1.125MHz时钟走线和LED走线有一小部分平衡走线，使得LED走线很容易耦合到125MHz的噪声；2.LED走线非常长，而且周围的地很不完整，这就使LED走线成为很好的单极子辐射天线。

 

四、整改

既然分析出了噪声源，也知道了辐射的天线，那处理起来就很简单了，在LED走线的源头对地并联1nF的电容，就会有很不错的效果（超标频率范围为500-900MHz，滤波电容选择100pF-1000pF都可以），以下是加电容前后对比数据。

 

 

五、思考

这个案例有一个特点，超标的是125MHz时钟的倍频，但是只有高频超标（500-900MHz），低频却没有噪声，为什么呢？

其实，LED线上的辐射是典型的单机子天线辐射模型（也是常说的共模辐射模型），辐射大小跟这些参数有关。

E：辐射发射强度

K：常数

I：噪声电流

L：天线长度

f：噪声频率

D：被测产品和测试天线的距离（EN55032辐射为3m或者10m）

从这个公式中可以看出，辐射大小跟噪声电流、天线长度、噪声频率成正比，而这个案例中LED的辐射，是这个模型的一个变形，具体如下：

 

这个案例中，时钟走线125MHz的噪声通过分布电容耦合到了LED走线上，这个电容只有几pF，所以对于低频来说，阻抗很大，对于高频来说，阻抗却很小，所以高频噪声（500-900MHz范围的倍频）更容易耦合到LED走线上，从而辐射出去。

在LED走线L不能缩短、频率f固定125MHz的情况下，只能考虑减小LED走线上的噪声电流I，减小这个电流的方法有两个：1.减小走线分布电容C，就需要把LED走线和125MHz的CLK线分开，增加走线间隔，或者走线中间包地隔离；2.在LED走线源头做滤波，电容或者磁珠都有比较好的效果。

大家有什么想法可以在评论区留言，一起探讨！

Fred_1977

整机产品做EMC常见出现的问题，整改的通常做法是串磁珠，并电容. 一般都是主频的奇数倍频.

Gen_X

非常好的经验分享，谢谢！

王小Q

在硬件设计上，尽量预留数字信号远端串接的22/33欧姆匹配电阻，在末端预留小的接地电容，时钟电路串接磁珠，都是减小辐射可能性的好办法，在电路上信号跳变不是越快越好，二是在满足跳变速率的要求下，尽量缓一点更好。为何超标频点会是工作频率的奇数次倍？因为数字电路工作时基本是方波，方波的FFT是基波及其奇数次谐波的叠加。为何更容易是高频谐波会超？因为电路中的寄生电感效应，小电感对高频信号更敏感，举个例子，很经典的，电容的阻抗-频率特性曲线，都是对号型的，到了高频时，电容都变成电感了......