硬件工程師-EMC整改淺記1

作為剛畢業(yè)一年半的硬件工程師，記錄一下近期處理的幾個(gè)EMC問題：

出于職業(yè)敏感性，涉及的具體設(shè)備名稱及用途略去

設(shè)備A，外發(fā)他國出口時(shí)，需要進(jìn)行FCC class B認(rèn)證，在認(rèn)證后查出來輻射超限（也不知道前面的研發(fā)工程師搞什么飛機(jī)~），設(shè)備退回后在國內(nèi)找了家機(jī)構(gòu)檢測出具了報(bào)告，報(bào)告顯示有3個(gè)頻點(diǎn)超限，分別是480M，960M，750M?？吹竭@三個(gè)頻點(diǎn)，出于職業(yè)敏感性，是不是覺得其中的480M有些熟悉？——USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的全速工作頻率就是480M，而480M的二次諧波恰好就是480*2=960M。

大膽假設(shè)，小心求證，設(shè)備到位后，立馬拉去射頻那邊，在暗室用頻譜分析儀掃一波（此處不得不感慨大平臺(tái)的好處，當(dāng)初秋招沒選錯(cuò)hhh）。掃出來發(fā)現(xiàn)報(bào)告中的三個(gè)頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度確實(shí)相對高了很多，然后由大探頭改為小探頭定位輻射的具體位置，發(fā)現(xiàn)480M和960M的輻射在整機(jī)的多處表現(xiàn)均異常強(qiáng)烈，而750M固定在一處表現(xiàn)出強(qiáng)烈輻射，基于前者的情況，拆機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的定位。

拆機(jī)后對設(shè)備主體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描（僅拆外殼，電路連接保持不變），發(fā)現(xiàn)輻射在A電路板（姑且如此稱呼）經(jīng)由一條約半米長的線纜和電刷環(huán)到B電路板這條路徑上非常強(qiáng)烈。打開原理圖，發(fā)現(xiàn)該線纜為一條4芯的USB2.0線纜（5V,DM,DP,GND）。而750M定位的位置為一塊激光管驅(qū)動(dòng)板的對外連接處。

至此，大抵是破案了。

接下來該考慮的就是如何搞定他們了。

首先，分析USB信號(hào)輻射超標(biāo)的原因，這個(gè)usb網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由未加屏蔽且較長的線纜，以及電刷環(huán)，即使兩根差分線進(jìn)行了雙絞，但是阻抗肯定存在相當(dāng)程度的突變，而且信號(hào)在途徑電刷環(huán)這里時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，更是加強(qiáng)了信號(hào)的輻射。

怎么解決呢？無非是將信號(hào)源的強(qiáng)度減弱，或者是使用屏蔽材料吸收輻射這兩種思路。由于usb的host端是SOC，在跟固件同事溝通后，無奈的確認(rèn)無法在軟件層面通過USB配置去降低驅(qū)動(dòng)能力，那么只能在硬件上面著手了。

因?yàn)閁SB過了很長的線纜，在不考慮換用帶雙屏蔽的線纜的情況下（成本達(dá)咩~），首先在預(yù)留的兩個(gè)匹配電阻處（實(shí)際焊接0R電阻）處加入了一個(gè)共模電感，3個(gè)頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度均有了一定降低（2~4dbm不等），但是仍然不夠。看著這么長的線，考慮再使用磁環(huán)進(jìn)行抑制，根據(jù)工作頻率選擇了鎳鋅鐵氧體材質(zhì)（高頻頻段效果較好），測量過線纜直徑后選擇了能套進(jìn)去的最小內(nèi)徑磁環(huán)（貼合越緊密效果越好），接下來淘寶尋找物料ing，在跟商家確認(rèn)可以開發(fā)票后（笑）遂下單，到手串上去一個(gè)磁環(huán)后，發(fā)現(xiàn)輻射確實(shí)有一丟丟降低，那么——加大劑量！在串了五六個(gè)磁環(huán)后，發(fā)現(xiàn)再增加磁環(huán)的效果已經(jīng)微乎其微了（最佳劑量），480M頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度相比之前降低了6dbm左右，但是詭異的是，960M頻點(diǎn)的強(qiáng)度相對之前竟然有略微增強(qiáng)！??！這種情況發(fā)生的原因暫時(shí)還沒有想通，以后想通了再補(bǔ)上吧~

但是不論什么原因，960M的輻射還是要壓下去的，加磁環(huán)沒用了，那么我們就換一種方法。既然高頻部分超標(biāo)，我們是否可以通過一個(gè)低通濾波器把它給吸收呢。行動(dòng)起來，以600M為截止頻率，在反復(fù)的計(jì)算，試，湊(玄學(xué)ing)下，最終在USB的差分線上各自對地接了一個(gè)pF級電容，960M頻點(diǎn)的輻射強(qiáng)度低于預(yù)期值。

至此USB信號(hào)的輻射問題暫時(shí)告一段落了，可是別忘了，750M頻點(diǎn)還在等著呢。

750M輻射點(diǎn)位于激光驅(qū)動(dòng)板與激光器線纜的連接處，通過線纜連接激光器，因?yàn)槟承┰?，無法對這個(gè)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行電路上的變更，所以只剩下抑制（大力出奇跡）這一條路了，套了4個(gè)磁環(huán)（我發(fā)現(xiàn)即使是鎳鋅鐵氧體這種材料，對750M頻率的抑制能力也并不是很強(qiáng)，不知道有沒有更好的材料），在連接處貼了五六層屏蔽銅箔，終于勉強(qiáng)將輻射降低至限值以下了。時(shí)候在跟負(fù)責(zé)這塊電路的工程師溝通的時(shí)候，我們一致猜測可能是此處同軸連接線和PCB焊接處出現(xiàn)了阻抗突變，導(dǎo)致了頻譜能量的泄露，當(dāng)然，具體是什么原因還得靠他們在下一次迭代中去進(jìn)行排查了。

至此設(shè)備A的整改告一段落。

設(shè)備B，多位客戶反饋，因?yàn)槭褂脠鼍暗脑?，客戶在一邊使用設(shè)備一邊使用對講機(jī)通信的時(shí)候，設(shè)備上面的某個(gè)傳感器數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至死機(jī)的情況。

設(shè)備到手，還是老三樣，拉去暗室用頻譜儀掃描復(fù)現(xiàn)問題。查詢原理圖，發(fā)現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)來自于一塊通過較長連接線（又是連接線 —_— ）連接主控板的傳感器數(shù)據(jù)板。示波器設(shè)置交流耦合，探頭懟上傳感器數(shù)據(jù)板的線纜3V3電源網(wǎng)絡(luò)，打開對講機(jī)——電源紋波從20mv左右陡然升至300+mv，好家伙，線纜貌似成天線了（笑），接下來同樣的方法繼續(xù)測試兩個(gè)IIC信號(hào)線，發(fā)現(xiàn)耦合進(jìn)來的對講機(jī)信號(hào)均是非常大的，基本上可以確定，這就是導(dǎo)致數(shù)據(jù)亂碼以及小板上面單片機(jī)的死機(jī)停發(fā)的原因。

怎么處理呢，有了對付設(shè)備A的經(jīng)驗(yàn)后，先上磁環(huán)抑制線纜的信號(hào)突變 —— 這里可能會(huì)疑惑了，前面用磁環(huán)不是為了阻止信號(hào)向外輻射嗎？這里不是輻射出去啊。即使是吸收進(jìn)來的高頻信號(hào)，只要在線纜上存在，也一樣可以進(jìn)行抑制的，有興趣的同學(xué)可以去了解一下磁環(huán)的抑制原理。

在使用磁環(huán)大法后，設(shè)備B對于對講機(jī)的抗干擾能力確實(shí)好了一些，當(dāng)時(shí)在對講機(jī)貼近設(shè)備時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況，這個(gè)時(shí)候使用示波器繼續(xù)觀測線纜傳輸過來的信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)以電源網(wǎng)絡(luò)為例，紋波疊加外部干擾后的幅度仍然高達(dá)120mv+。還是從降低信號(hào)干擾幅度的角度出發(fā)，因?yàn)榘遄影惭b的位置比較刁鉆且不能拆卸，不好加共模電感，看原理圖，在連接器入口位置也有nF電容濾波，抱著試一試的心態(tài)，在接口處額外加了一顆220uF的聚合物電容充當(dāng)“大水塘”作為電源的緩沖。在這里實(shí)現(xiàn)類似“阻尼”的效果。裝機(jī)通電實(shí)測紋波疊加外部干擾后的幅度降低至約80mv，雖然仍然不算很低，但是沒有再復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼或者死機(jī)的情況了。

至此，設(shè)備B的整改也完成了。

總結(jié)一下這兩次整改經(jīng)歷，在遇到EMC問題時(shí)，應(yīng)該先復(fù)現(xiàn)問題，再根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，使用工具（示波器，頻譜儀等）定位問題點(diǎn)（具體的電路，模塊）。解決思路基本上是降低信號(hào)強(qiáng)度（減弱信號(hào)源）和屏蔽吸收（傳播過程中減弱）兩種，具體使用的手段多數(shù)情況下是根據(jù)輻射頻率利用不同材料，規(guī)格的共模電感，濾波器，磁珠等器件或者電路，亦或者增加金屬屏蔽層（同軸電纜，金屬殼等）達(dá)到目的。

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