去年年中我們一款帶DC-DC降壓的手持儀表在預(yù)測(cè)試階段就栽了個(gè)跟頭EMI輻射發(fā)射超標(biāo)。看到實(shí)驗(yàn)室報(bào)告那一刻說(shuō)實(shí)話我是不太意外的——項(xiàng)目趕進(jìn)度時(shí)砍掉了一部分EMI設(shè)計(jì)評(píng)審該留的濾波余量沒(méi)留夠。但真正到了暗室里當(dāng)120MHz那個(gè)尖峰高出限值線5.8dB時(shí)還是讓人后背發(fā)涼。畢竟測(cè)試檔期是提前約好的送檢日期釘死在日歷上整改窗口只有不到三天。這篇就是記錄我從拿到超標(biāo)頻譜到完成整改、復(fù)測(cè)通過(guò)的全過(guò)程順便把這類問(wèn)題通用的排查思路整理出來(lái)。產(chǎn)品本身不復(fù)雜——一塊主控板一顆16MHz MCU一顆1.2MHz開關(guān)頻率的DC-DC降壓器USB 5V供電。如果你也在跟輻射發(fā)射較勁尤其是電源相關(guān)頻點(diǎn)超標(biāo)的希望這篇能幫你少走幾趟彎路。1. 測(cè)試臺(tái)上的半小時(shí)輻射超標(biāo)先從頻率特征讀起1.1 為什么第一步永遠(yuǎn)是看頻譜而不是拆電路我見過(guò)不少同事一拿到超標(biāo)的報(bào)告就沖去換電容。不能說(shuō)完全沒(méi)用但你連超標(biāo)頻點(diǎn)是窄帶還是寬帶、跟誰(shuí)同步、哪個(gè)極化方向嚴(yán)重都不知道換電容純粹是碰運(yùn)氣。頻譜是這個(gè)問(wèn)題的“第一現(xiàn)場(chǎng)”。它告訴你的不只是“超沒(méi)超”而是很多別的東西窄帶尖峰還是寬帶包絡(luò)。窄帶單根尖峰往往和某個(gè)周期性信號(hào)相關(guān)比如時(shí)鐘的諧波寬帶包絡(luò)則更像開關(guān)電源的振鈴、刷電機(jī)火花這類瞬態(tài)噪聲。超標(biāo)頻點(diǎn)和已知時(shí)鐘/開關(guān)頻率的關(guān)系。如果超標(biāo)頻率恰好是某個(gè)時(shí)鐘的整數(shù)倍優(yōu)先級(jí)最高的懷疑對(duì)象基本就鎖定了。水平和垂直極化哪個(gè)更嚴(yán)重。水平極化嚴(yán)重往往暗示回路天線效應(yīng)垂直極化嚴(yán)重則可能和線纜共?；蜇Q直方向的走線有關(guān)。我當(dāng)時(shí)盯著120MHz那個(gè)峰先算了算16MHz主頻的8次諧波是128MHz7次諧波是112MHz都和120MHz對(duì)不上而1.2MHz的第100次諧波恰恰好在120MHz。再結(jié)合頻譜形態(tài)——120MHz附近不是一根孤立的窄帶尖峰而是以將近1.2MHz為間隔的一簇小峰邊上還拖著往100MHz方向去的包絡(luò)——這基本就把嫌疑指向了那顆DC-DC。數(shù)字時(shí)鐘的窄帶諧波不會(huì)長(zhǎng)這樣。這一步看著輕松但它是后面所有定位工作的基礎(chǔ)我不用再花時(shí)間查時(shí)鐘走線直接奔向電源部分。1.2 三類常見的超標(biāo)波形教你快速鎖定懷疑對(duì)象為了讓你以后拿到頻譜就能有個(gè)大致方向我把這幾年見過(guò)的輻射超標(biāo)總結(jié)成了三種常見形態(tài)放在一個(gè)表里頻譜特征最常見來(lái)源優(yōu)先排查方向單一窄帶尖峰頻率與某晶振/時(shí)鐘頻率整數(shù)倍強(qiáng)相關(guān)數(shù)字時(shí)鐘諧波時(shí)鐘走線、串阻、晶振layout、接地一組間距規(guī)律的窄帶簇間距等于開關(guān)頻率高頻段呈包絡(luò)衰減DC-DC等開關(guān)電源噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴、功率環(huán)路面積、輸入/輸出濾波30MHz~150MHz寬帶包絡(luò)抬升或低頻段整體抬高線纜共模電流、接地不良、屏蔽層問(wèn)題接口濾波、線纜屏蔽接地、共模扼流圈這張表不能包治百病但它能把“漫無(wú)目的地?fù)Q元件”變成“帶著假設(shè)去驗(yàn)證”。幾乎每一個(gè)輻射超標(biāo)案例都能歸到這三類里面或者至少?gòu)倪@三類出發(fā)進(jìn)一步排查。拿我們的案例來(lái)說(shuō)120MHz那組小峰簇完美符合第二類特征。所以問(wèn)題的核心幾乎可以斷定是在開關(guān)電源的某個(gè)環(huán)節(jié)上。接下來(lái)要做的就不是猜了而是用近場(chǎng)探頭把這個(gè)環(huán)節(jié)從電路板上找出來(lái)。2. 120MHz那只“峰”一個(gè)完整案例的定位過(guò)程2.1 產(chǎn)品背景與超標(biāo)數(shù)據(jù)先把產(chǎn)品的基本盤說(shuō)清楚這是一臺(tái)手持式儀表塑料外殼主控用了一顆16MHz的MCU系統(tǒng)電源來(lái)自USB 5V輸入板上有一顆同步Buck DC-DC把5V降到3.3V開關(guān)頻率1.2MHz。板子不大四層板中間兩層是完整的地平面。這個(gè)配置在我們行業(yè)里非常常見幾乎每一塊帶電池或者USB供電的板子都長(zhǎng)這樣。超標(biāo)數(shù)據(jù)如下3米法CISPR 32 Class B項(xiàng)目數(shù)值超標(biāo)頻點(diǎn)120MHz附近118.5MHz~122MHz見包絡(luò)峰值峰值超限值5.8dB水平極化垂直極化情況超限值約2.3dB頻譜形態(tài)窄帶簇包絡(luò)簇間隔約1.2MHz30MHz~1GHz其他頻點(diǎn)都在限值線下余量在6dB以上說(shuō)實(shí)話超5.8dB屬于“中段偏輕”的超標(biāo)。這種量級(jí)通常用濾波、吸收、layout微調(diào)就能搞定如果一下超標(biāo)15dB以上那基本要考慮結(jié)構(gòu)屏蔽或者整機(jī)線纜的大改了。所以看到這個(gè)數(shù)據(jù)我心里反而穩(wěn)了一點(diǎn)。但穩(wěn)歸穩(wěn)該走的定位流程一步都不能省。我借了實(shí)驗(yàn)室的近場(chǎng)探頭開始做板級(jí)掃測(cè)。2.2 近場(chǎng)探頭掃出來(lái)的真兇近場(chǎng)探頭這東西用起來(lái)不復(fù)雜但要看你會(huì)不會(huì)用。我當(dāng)時(shí)用的是磁場(chǎng)探頭H場(chǎng)探頭配合頻譜儀做峰值保持掃描把探頭貼著板子緩慢移動(dòng)一邊移動(dòng)一邊盯著頻譜儀上那組120MHz的峰有沒(méi)有明顯變化。幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分享一下探頭離板子越近信號(hào)越強(qiáng)但注意別直接懟到器件上避免改變電路的工作狀態(tài)一般保持1~2mm距離即可。最好先用大環(huán)探頭做全板掃描找到大概區(qū)域再換小環(huán)探頭精確定位到引腳級(jí)。頻譜儀的RBW適當(dāng)放寬我這個(gè)場(chǎng)景用的是120kHz掃寬設(shè)在100MHz~150MHz之間這樣120MHz附近的幅度變化看起來(lái)最直觀。我花了十分鐘把探頭從USB座一路掃到DC-DC附近。在掃描到電感L1和開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的時(shí)候頻譜儀上的120MHz峰位突然跳高了將近15dB。再靠近輸出電容C6的時(shí)候也有明顯反應(yīng)但幅度比電感那邊弱一些。到這里真兇已經(jīng)基本鎖定不是時(shí)鐘不是MCU而是DC-DC降壓器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出側(cè)那一小段環(huán)路。這個(gè)定位結(jié)果和我前面從頻譜形態(tài)推斷出來(lái)的答案是一致的。近場(chǎng)探頭在這里起的作用不是“決定性”的而是“驗(yàn)證性”的——它把懷疑對(duì)象從整個(gè)板子縮小到了三四個(gè)元件組成的局部區(qū)域。2.3 環(huán)路面積、高dv/dt與寄生天線的關(guān)系為什么一個(gè)1.2MHz的Buck電路會(huì)把能量輻射到120MHz去這中間有幾個(gè)物理機(jī)制得說(shuō)透。第一Buck的SW節(jié)點(diǎn)在開關(guān)動(dòng)作時(shí)電壓是在輸入電壓和地之間快速跳變的。我們的輸入是5VSW節(jié)點(diǎn)要從接近0V跳到接近5V這一跳的時(shí)間如果只有2~3ns折合下來(lái)的dv/dt就是2~3V/ns。這個(gè)高速變化的電壓是一個(gè)天然的寬帶騷擾源理論上它的諧波可以鋪到幾百M(fèi)Hz甚至更高。第二開關(guān)過(guò)程中輸出電感、開關(guān)管和輸出電容組成的電流環(huán)路里電流也是急劇變化的di/dt。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和天線原理任何流過(guò)交變電流的閉合環(huán)路都是一個(gè)磁偶極子天線。環(huán)路面積越大輻射效率越高。很多布板不講究的DC-DC電路恰恰輸在這個(gè)環(huán)節(jié)——開關(guān)電流的環(huán)路面積大得驚人。第三SW節(jié)點(diǎn)到電感這一段走線在高頻下本身存在寄生電感它和開關(guān)管的結(jié)電容、電感的寄生電容湊在一起會(huì)形成一個(gè)高頻諧振回路。諧振點(diǎn)一旦落在120MHz附近輻射就會(huì)被明顯放大。這就是為什么你會(huì)看到超標(biāo)點(diǎn)不是均勻衰減到120MHz而是像一個(gè)“峰”一樣頂出來(lái)。其實(shí)也可以從天線理論去理解一個(gè)幾平方厘米的環(huán)路在120MHz波長(zhǎng)2.5米這個(gè)頻段不算高效的輻射體但問(wèn)題在于它就在板上、離測(cè)量天線近加上諧振放大幾毫伏的噪聲就能變成超限值好幾個(gè)dB的場(chǎng)強(qiáng)。用一句話概括不是能量有多大而是它沒(méi)有衰減還在諧振點(diǎn)上被放大了。明白了這三條原理整改方向就變得非常清晰要么削弱源降低dv/dt、加吸收要么縮小天線壓縮環(huán)路面積、優(yōu)化走線要么擋住路徑濾波、屏蔽。這也是我接下來(lái)動(dòng)手改板的三條主線。3. 三處改動(dòng)把超標(biāo)峰壓下去整改方案全記錄3.1 開關(guān)節(jié)點(diǎn)加RC吸收成本最低的第一招第一處改動(dòng)是在SW節(jié)點(diǎn)到功率地之間加一個(gè)RC吸收電路Snubber。原理很簡(jiǎn)單RC串聯(lián)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)和地之間等于給高頻振鈴提供一個(gè)阻尼通路把諧振能量轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉降低振鈴幅度和諧波能量。參數(shù)選擇是這一步的關(guān)鍵。R和C的值不能拍腦袋定我當(dāng)時(shí)的取法是先看SW節(jié)點(diǎn)對(duì)地的高頻寄生電容。一般在幾百pF量級(jí)不同芯片和layout會(huì)有差異可以用阻抗分析儀測(cè)也可以粗略估算。C取寄生電容的1~2倍左右。我這邊先用了220pF。R取振鈴頻率對(duì)應(yīng)的容抗值。方法是用示波器看SW節(jié)點(diǎn)振鈴的周期算出振鈴頻率f再用R 1/(2πfC)估算一個(gè)起點(diǎn)值。實(shí)測(cè)振鈴在120MHz附近220pF對(duì)應(yīng)的電阻約為6Ω我選了4.7Ω留一點(diǎn)阻尼余量。實(shí)際貼到板上后再掃一遍頻譜看效果微調(diào)參數(shù)。改完之后我在預(yù)測(cè)試環(huán)境下對(duì)比了一次項(xiàng)目改動(dòng)前加RC吸收后120MHz峰值超限值5.8dB3.1dBSW節(jié)點(diǎn)振鈴幅度約±8V約±3.5V效果立竿見影降了將近3dB但還不夠。而且要注意RC吸收是有代價(jià)的每次開關(guān)都會(huì)對(duì)C充放電這部分能量會(huì)變成熱。雖然我們算過(guò)損耗很小P ≈ 0.5 × 220pF × 5V2 × 1.2MHz只有毫瓦級(jí)但如果你選的值過(guò)大或者開關(guān)頻率高效率損失會(huì)明顯起來(lái)。我后來(lái)實(shí)測(cè)整機(jī)效率從92.1%降到了91.8%影響可接受。這里有個(gè)坑必須提醒R的額定功率別選太小最好用0805或以上的封裝耐壓也要按SW節(jié)點(diǎn)最高電壓輸入電壓加振鈴幅度來(lái)選。我見過(guò)有工程師在這里用了個(gè)0402的小電阻整改倒是成功了樣品工作半小時(shí)后電阻燙得不能碰。3.2 電源回路layout重排治本的關(guān)鍵一步RC吸收把“癥狀”壓了一部分但要從根上把輻射降下去還是得回到layout。前面說(shuō)過(guò)Buck電路里有兩條關(guān)鍵環(huán)路輸入環(huán)路輸入電容、高邊開關(guān)管、低邊開關(guān)管組成的環(huán)路di/dt最大是高頻噪聲的主要來(lái)源之一。輸出環(huán)路低邊開關(guān)管、電感、輸出電容組成的環(huán)路電流變化相對(duì)平緩但也不能忽視。我當(dāng)時(shí)的layout有兩個(gè)明顯的毛病第一輸入去耦電容10μF和100nF雖然名義上放在了IC附近但實(shí)際上走線繞了一段環(huán)路面積粗算下來(lái)超過(guò)1平方厘米。對(duì)高頻噪聲來(lái)說(shuō)這個(gè)面積足以成為一個(gè)像樣的輻射天線。第二SW節(jié)點(diǎn)到電感的走線用了細(xì)長(zhǎng)線且沒(méi)有和下方地參考平面保持緊密耦合導(dǎo)致寄生電感偏大進(jìn)一步惡化了振鈴。整改動(dòng)作如下把輸入電容重新放置100nF高頻陶瓷電容優(yōu)先緊貼IC的VIN和GND引腳放置走線盡量粗、短、直接。10μF大電容緊挨著高頻小電容放?？s小高邊開關(guān)和低邊開關(guān)之間的換流回路面積讓開關(guān)管、輸入電容、地過(guò)孔之間的路徑形成最小閉合環(huán)。電感正下方做了地銅挖空處理。這是因?yàn)殡姼斜旧泶艌?chǎng)泄漏大下方若有完整銅皮會(huì)感應(yīng)渦流既影響電感特性又增加耦合路徑。不過(guò)挖空范圍不能太大避免破壞地平面的連續(xù)性我挖的區(qū)域比電感本體外擴(kuò)約1mm就停了。SW走線加寬同時(shí)確保其下方的參考地平面連續(xù)完整但不在電感本體正下方。改完layout我用阻抗分析儀輔助看SW節(jié)點(diǎn)的高頻阻抗明顯看到120MHz附近的諧振峰值變得平緩了。再上預(yù)測(cè)試環(huán)境掃一遍120MHz的超標(biāo)量從加完RC后的3.1dB又降到了0.7dB左右。這里說(shuō)一句和很多人直覺相反的話**layout整改從來(lái)不靠“我感覺”而是靠“我能不能畫得出那條環(huán)路”。**如果你說(shuō)不清電流從哪里流出去、從哪里流回來(lái)那這個(gè)環(huán)路面積大概率是失控的。畫出來(lái)縮小它比盲目鋪地、加過(guò)孔有用得多。3.3 輸入端π型濾波把騷擾源關(guān)進(jìn)籠子里加RC吸收、重排layout之后120MHz基本貼著限值線了還剩不到1dB的超標(biāo)。如果只是應(yīng)付這次測(cè)試可能再調(diào)一調(diào)RC參數(shù)就過(guò)了。但我不喜歡那種“擦邊過(guò)”的感覺——溫漂、批次差異、測(cè)試場(chǎng)地差異一疊加隨時(shí)可能又翻車。所以最后一處改動(dòng)是在USB電源輸入口加了一個(gè)π型濾波把板內(nèi)產(chǎn)生的高頻騷擾攔在入口以內(nèi)避免它沿著USB線往外跑。π型濾波的構(gòu)成是輸入端一個(gè)電容、中間一個(gè)電感或磁珠、輸出端再接一個(gè)電容像字母π。我用的具體參數(shù)如下位置器件參數(shù)最外側(cè)陶瓷電容10μF / 25V中間鐵氧體磁珠100MHz阻抗約600ΩDCR ≤ 0.1Ω靠板內(nèi)側(cè)高頻陶瓷電容100nF / 25V選磁珠的時(shí)候有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)DCR不能太大。我們整機(jī)電流大約200mA如果磁珠的DCR做到0.3Ω壓降就有60mV對(duì)3.3V輸出精度影響不大但對(duì)5V檢測(cè)之類的模擬電路可能就有影響了。我選的這顆DCR約0.05Ω200mA下壓降只有10mV非常穩(wěn)妥。π型濾波裝好之后我順手又給USB線套了一個(gè)鐵氧體磁環(huán)。這一步可能有人覺得多余但USB線是典型的“意外天線”——即使設(shè)備本身是塑料外殼充電時(shí)USB線也會(huì)成為共模輻射的載體。磁環(huán)不貴附加上去只有好處。復(fù)測(cè)結(jié)果讓我滿意120MHz的峰值超限量從0.7dB變成了余量4.2dB而且整個(gè)30MHz到1GHz頻段內(nèi)最差的點(diǎn)也有4dB以上的余量。三處改動(dòng)疊加比我預(yù)期中效果還要好一點(diǎn)。4. 復(fù)測(cè)結(jié)果與其他超標(biāo)場(chǎng)景的經(jīng)驗(yàn)沉淀4.1 復(fù)測(cè)里必須盯住三個(gè)數(shù)據(jù)整改完成后的復(fù)測(cè)不只是看一眼“過(guò)了沒(méi)有”就完事。我習(xí)慣盯三個(gè)數(shù)據(jù)。第一個(gè)是余量最小的那個(gè)頻點(diǎn)。很多時(shí)候整改會(huì)把某個(gè)尖峰壓下去但旁邊原本余量很足的點(diǎn)反而因?yàn)楦膭?dòng)被抬高了。所以復(fù)測(cè)時(shí)我會(huì)把整條曲線都調(diào)出來(lái)找出所有余量低于6dB的頻點(diǎn)逐一確認(rèn)它們和什么信號(hào)相關(guān)。第二個(gè)是峰值、準(zhǔn)峰值和平均值三種檢波方式下的讀數(shù)。CISPR標(biāo)準(zhǔn)里真正判定用的是準(zhǔn)峰值和平均值但峰值是最敏感的。我們做整改時(shí)傾向于讓峰值也留出余量這樣送第三方實(shí)驗(yàn)室復(fù)測(cè)時(shí)基本不會(huì)有意外。記得有一次我貪快只看峰值壓下去了就沒(méi)看準(zhǔn)峰值結(jié)果送檢還是掛了這個(gè)教訓(xùn)印象很深。第三個(gè)是垂直和水平兩個(gè)極化的對(duì)比。有些噪聲只在某一極化下超標(biāo)整改時(shí)如果只盯著嚴(yán)重的一側(cè)做另一側(cè)可能潛在問(wèn)題被暫時(shí)掩蓋。建議復(fù)測(cè)時(shí)兩組數(shù)據(jù)都看完再?zèng)Q定是否收工。4.2 從電源案例延伸到時(shí)鐘和線纜的通用排查路徑這次DC-DC的案例只是輻射超標(biāo)里很常見的一種。用同樣的方法我把通用排查路徑整理成了五步可以直接套用看頻譜形態(tài)窄帶、寬帶、簇狀、包絡(luò)——先定性。算頻率關(guān)系把超標(biāo)頻點(diǎn)的整數(shù)約數(shù)找出來(lái)跟系統(tǒng)里的時(shí)鐘和開關(guān)頻率對(duì)照。近場(chǎng)探頭定位從懷疑區(qū)域開始掃逐步縮小到具體器件和走線。判斷輻射機(jī)理是環(huán)路天線、走線天線還是線纜共模不同類型對(duì)應(yīng)不同整改手段。從低成本到高成本整改先RC吸收、layout調(diào)整、濾波最后才考慮屏蔽罩和結(jié)構(gòu)件。如果是時(shí)鐘諧波導(dǎo)致的窄帶超標(biāo)重點(diǎn)看時(shí)鐘走線的串阻位置、走線下方的參考地是否連續(xù)以及時(shí)鐘線兩端有沒(méi)有形成過(guò)長(zhǎng)的平行走線。如果問(wèn)題出在對(duì)外接口線纜上優(yōu)先查線纜上的共模扼流圈、接口濾波電路和屏蔽層的端接方式。它們背后的物理邏輯和這次的DC-DC是一模一樣的找到騷擾源、壓縮天線、增設(shè)阻尼。4.3 關(guān)于整改順序和余量的一點(diǎn)建議最后說(shuō)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)層面的東西。面對(duì)一個(gè)輻射超標(biāo)問(wèn)題我建議的整改順序永遠(yuǎn)是先止血再治本最后加固?！爸寡敝傅氖窍壬弦粋€(gè)見效快的措施比如RC吸收、換個(gè)磁珠讓你快速看到頻譜往下走確認(rèn)方向沒(méi)錯(cuò)“治本”是回到layout層面解決環(huán)路和走線“加固”則是用濾波、屏蔽等手段把余量做足。順序?yàn)槭裁粗匾绻阋簧蟻?lái)就大改layout一旦頻譜沒(méi)有如預(yù)期下降你很難判斷是layout方向錯(cuò)了還是其他環(huán)節(jié)在干擾。反過(guò)來(lái)先做局部濾波見效后再動(dòng)layout每次改動(dòng)對(duì)頻譜的影響都是清晰可追蹤的調(diào)試效率會(huì)高很多。至于余量我的個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)是**峰值至少留3dB以上最好能做6dB。**因?yàn)橥慌_(tái)設(shè)備在不同實(shí)驗(yàn)室、不同溫濕度、不同批次元器件下測(cè)試結(jié)果波動(dòng)3dB是很常見的。你按“貼線過(guò)”的標(biāo)準(zhǔn)去送檢基本就是在賭運(yùn)氣。這次案例最終做到4.2dB余量我心里才真正踏實(shí)。這幾年經(jīng)手的EMI整改案例少說(shuō)也有二十來(lái)個(gè)我最大的體會(huì)是輻射超標(biāo)從來(lái)不缺解決方案缺的是先理解后動(dòng)手的耐性。頻譜和近場(chǎng)探頭會(huì)給足線索關(guān)鍵是你愿不愿意花那半小時(shí)先把線索讀明白。希望這篇案例能幫你少走我當(dāng)年走過(guò)的彎路。