¿Qué irradia mi PCB?

Recientemente hice una prueba de EMC adecuada en una PCB mía. Falló la prueba y parece estar irradiando en la región de 300MHz - 1GHz, con picos cada 50MHz y pequeños picos en los 25MHz.

Mirando el campo cercano, puede ver claramente muchos armónicos de 25MHz alrededor:

La placa contiene un cristal de 25MHz, que debe ser la fuente de la señal, pero la pregunta es, ¿qué irradia la placa? ¿Cuál podría ser la antena? Los candidatos que se me ocurren son:

• El plano de tierra actúa como una antena de parche alimentada al centro. El tablero es de 23 mm x 47 mm, lo que lo convierte en un cuarto de longitud de onda de aproximadamente 1.6 GHz.
• Los inductores en las fuentes de alimentación. La placa contiene circuitos integrados de fuente de alimentación de conmutación de inductor integrado TPS84250 y EN5312 . Quizás la señal de 25MHz está regresando a los inductores en estos circuitos integrados y usándolos como antenas.
• El cable. Aunque agregar ferritas en el cable durante la prueba no pareció hacer ninguna diferencia, lo que me lleva a creer que es algo en el PCB en sí.
• ¿Algo más? No puedo pensar qué más es lo suficientemente grande como para irradiar a frecuencias tan bajas.

El equipo bajo prueba consiste en un par de PCB apiladas juntas. El inferior contiene el cristal de 25MHz y los chips que lo usan. El superior contiene los componentes de la fuente de alimentación.

Pregunta para puntos de bonificación: ¿Cómo puede ser que haya claramente muchos armónicos de 25MHz en el campo cercano, pero solo se pueden detectar armónicos de 100MHz y 50MHz en el campo lejano?

Este es un problema difícil de cubrir en un par de cientos de palabras, por lo que será breve y tendrá que investigar un poco por su cuenta. Pero trataré de resumirlo lo suficiente para que al menos sepa qué investigar.

Debe saber acerca de la impedancia de rastreo, la terminación de la señal, las rutas de retorno de la señal y las tapas de desvío / desacoplamiento. Si obtuvieras estas respuestas correctas, no tendrías ningún problema de EMC. Conseguir que sea 100% perfecto es imposible, pero puedes acercarte mucho más de lo que estás ahora.

Primero, veamos las rutas de retorno de señal ... Para cada señal debe haber una ruta de retorno. Normalmente el retorno está en el plano de potencia o tierra, pero también podría estar en otro lugar. En su PCB, el retorno es en un avión. El camino de regreso va desde el receptor de regreso al conductor. El área de bucle es el bucle físico creado por la señal más la ruta de retorno. Normalmente, las leyes de la física harán que el área del bucle sea lo más pequeña posible, pero el enrutamiento de PCB quiere estropear eso.

Cuanto mayor sea el área del bucle, más problemas de RF tendrá. No solo emitirá más RF de la que desea, sino que también recibirá más RF.

Las señales en la capa inferior (azul) querrán que su ruta de retorno esté en el plano adyacente en la siguiente capa (cian), ya que eso hace que el área del bucle sea lo más pequeña posible. Las señales en la capa superior (roja) tendrán su ruta de retorno en la capa dorada.

Si una señal comienza en la capa superior y luego pasa por una vía hacia la capa inferior, entonces la ruta de retorno de la señal querrá cambiar de las capas dorada a cian, ¡en el punto de la vía! Esta es una función principal del desacoplamiento de tapas. Normalmente un plano sería GND y el otro sería VCC. Una ruta de retorno de señal puede pasar por la tapa de desacoplamiento al cambiar de plano. Es por eso que a menudo es importante tener límites entre los planos, incluso cuando obviamente no es necesario por razones de potencia.

Sin un límite de desacoplamiento entre planos, la ruta de retorno no puede tomar una ruta más directa, por lo que el área del circuito aumenta de tamaño y los problemas de EMC aumentan.

Pero los huecos / divisiones en los planos pueden ser aún más problemáticos. Su capa dorada tiene planos divididos y rastros de señal, lo que crea problemas. Si compara las capas roja y dorada, verá cómo las señales cruzan los vacíos en los planos. Cada vez que una señal cruza un vacío en el avión, algo va a salir mal. La corriente de retorno estará en el avión, pero no puede seguir el rastro a través del vacío, por lo que debe tomar un desvío importante. Esto aumenta el área de bucle y sus problemas de EMC.

Puede colocar una tapa en el vacío, justo donde se cruzan las señales. Pero un mejor enfoque sería redirigir las cosas para evitar esto en primer lugar.

Otra forma en que se puede crear el mismo problema es cuando tiene varias vías que están muy juntas. El espacio libre entre las vías y el plano puede crear ranuras en los planos. Disminuya el espacio libre o extienda las vías para que no se forme una ranura.

Ok, ese es el mayor problema con su tablero. Una vez que comprenda eso, debe observar la terminación de la señal y controlar la impedancia de rastreo. Después de eso, debe analizar los problemas de blindaje y GND del chasis con su conexión Ethernet (no hay suficiente información en la Q para comentar con precisión).

Espero que eso ayude. Realmente me inquietaron los problemas, pero eso debería ayudarte.

Después de volver a girar mi tabla, el ruido parece reducirse significativamente. Hice algunos cambios, por lo que es difícil saber exactamente cuáles fueron los responsables. Básicamente, copié las precauciones EMC utilizadas en los módulos Beckhoff EtherCAT

• Ferritas en todos los pines de alimentación del ASIC ET1200, con tapas antes y después de la ferrita.
• Condensador de 5pF, dos ferritas y estrangulador de modo común en las líneas LVDS salientes.
• Diseño de cristal mejorado, con plano de tierra completo debajo. También seguí el consejo de Olin con respecto a la conexión de la tierra de las tapas de carga del cristal.

¿En cuanto a lo que realmente irradia? Es difícil estar seguro, proteger el ET1200 en sí mismo no pareció ayudar. Tampoco agregar ferritas al cable. Lo único que ayudó fue encerrar el PCB en una caja de metal. Entonces supongo que era algo en el PCB. Tal vez el plano de tierra actúa como una antena de parche alimentada al centro, como sugirió Olin.

Creo que los armónicos de 25MHz apuntan a problemas relacionados con Ethernet. No estoy familiarizado con las recomendaciones de Micrel, pero la mayoría de los otros proveedores recomiendan una distancia mínima entre phy y magnetismo, lo cual no es evidente en su placa. Además, hay un plano de tierra continuo debajo del imán, que tampoco se recomienda en la mayoría de los lugares.

Es bastante difícil distinguirlo con las imágenes de diseño, pero se ve como el rastro que se ejecuta debajo de la phy luego se extiende y sale como una buena antena en la capa opuesta. ¿Esto podría confirmarse con un sondeo de campo cercano, tal vez?

Las cosas que aparecen en el campo cercano y no en el lejano, significan que no hay una ruta efectiva de acoplamiento y antena para esa frecuencia, en mi opinión.

¿Estás absolutamente seguro de que has pasado todo por alto? Tuve un probador de EMC que me dijo que tenía una placa que pasó de no pasar a pasar porque se habían perdido una tapa de derivación. También puede asegurarse de que sus tapas de derivación funcionen de la manera deseada a 25MHz. Utilice un analizador de espectro con generador de seguimiento y una línea de banda de 50 ohmios con tapas soldadas en él, y vea cómo funcionan realmente.

Creo que la respuesta de David Kessner es digna de consideración. No siento que realmente tengamos suficiente información aquí.

Creo que lo mejor sería alquilar una o dos horas con un técnico de EMC experimentado (tal vez tenga uno en casa) y absorber todo lo que le diga sobre su tablero.