一、問題現(xiàn)象描述

         某應(yīng)用于汽車電子的中控顯示屏模組，在進行30MHz-2.68GHz頻段輻射發(fā)射測試時，發(fā)現(xiàn)156MHz頻點超標(biāo)，具體表現(xiàn)為尖峰狀干擾，測試數(shù)據(jù)如下圖所示：

圖1：輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)（原始測試數(shù)據(jù)）

         電子工程師花費大量時間進行分析調(diào)試，仍然無法找到問題的解決方案，需要EMC工程師介入分析整改，具體產(chǎn)品形態(tài)如下：

圖2：產(chǎn)品形態(tài)圖

二、干擾源分析定位

       使用頻譜分析儀，按照如下頻譜分析儀使用方法進行干擾源的定位，通過分析定位后鎖定干擾源來自系統(tǒng)EMMC電路部分，使用頻譜分析儀的尖形探針進一步尋找，確定噪聲源頭為EMMC的時鐘信號。

圖3：頻譜分析儀定位干擾源的方法與流程

頻譜分析儀的探頭使用方法，參考下圖所示：

圖4：頻譜分析儀探頭使用方法圖

        使用頻譜分析儀對EMMC芯片外圍電路進行干擾源定位，分別量測EMMC芯片供電電源引腳、其它信號引腳，其噪聲頻點都非常微弱，只有EMMC時鐘信號引腳的噪聲非常強，排除噪聲通過其它引腳耦合的可能性，確定噪聲源來自EMMC芯片的時鐘信號引腳，耦合路徑是時鐘信號引腳本身。

圖5：EMMC芯片供電電源引腳頻譜圖

圖6：EMMC芯片時鐘信號頻譜圖

三、問題原因分析

        使用示波器對EMMC芯片時鐘信號進行量測，確認(rèn)是否為時鐘信號過沖、振蕩、波形失真等原因引起的。

圖7：EMMC芯片時鐘信號引腳波形

       EMMC芯片時鐘信號實測波形，沒有明顯的振蕩、過沖、失真等，且時鐘信號的邊沿相對較緩，從波形上分析，沒有明顯的設(shè)計問題。調(diào)出PCB Layout設(shè)計，分析是否為PCB Layout設(shè)計問題。

圖8：EMMC芯片PCB Layout設(shè)計（Bottom層元件面）

圖9：EMMC芯片PCB Layout設(shè)計（Bottom層的參考層）

        由PCB Layout可知EMMC芯片時鐘信號布線不存在換層設(shè)計的情況，且相鄰參考層為完整的地平面層，參考不存在跨分割、參考不完整的情況，根據(jù)信號參考設(shè)計的規(guī)則來看，PCB Layout設(shè)計不存在明顯的缺陷。

       根據(jù)PCB Layout設(shè)計，懷疑噪聲是通過表層的PCB布線直接向外部輻射發(fā)射，造成輻射發(fā)射測試超標(biāo)，嘗試將表層時鐘信號增加屏蔽，使用銅箔對表層EMMC時鐘信號布線進行屏蔽，重新進行輻射發(fā)射測試，結(jié)果更加惡化。

圖10：EMMC芯片表層時鐘信號使用銅箔屏蔽

圖11：EMMC芯片表層時鐘信號使用銅箔屏蔽前后數(shù)據(jù)對比

      EMMC芯片時鐘信號布線層增加銅箔屏蔽對輻射發(fā)射測試結(jié)果沒有改善，反而惡化了輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)，具體原因則需要分析信號是如何回流的。

       根據(jù)信號回流路徑設(shè)計理論可知，信號的回流存在幾種情況：一是信號布線不換層、回流路徑也不換層，這是最優(yōu)的方案；二是信號布線換層，回流路徑不換層，是次選方案；三是信號布線換層，回流路徑也換層，信號換層過孔兩側(cè)增加信號回流路徑的伴隨過孔。目前選擇的就是最優(yōu)的PCB布線方案。

四、問題產(chǎn)生的根因分析

圖12：EMMC芯片時鐘信號回流路徑分析

         多層板設(shè)計，原則上信號的回流路徑會選擇相鄰層完整的參考平面進行回流，而實際上多層板時鐘信號兩側(cè)存在包地線時，由于邊緣場效應(yīng)，信號部分返回電流會沿著兩側(cè)的包地線返回（回流電流的分量大小取決于信號與鄰層和伴隨地線的距離），高頻返回噪聲電流在相鄰層參考地平面與兩側(cè)伴隨地線返回時，由于包地線與參考地平面之間布線寄生電感的差異，則會使兩側(cè)包地線與鄰層參考地平面之間產(chǎn)生的電位差，電位差的大小取決于兩側(cè)伴隨地線與參考地平面的寄生電感大小的差異。

圖13：邊沿場的概念

邊沿場的定義：

       當(dāng)信號沿傳輸線傳播時，信號路徑與返回路徑之間將產(chǎn)生電力線，圍繞在信號路徑和返回路徑導(dǎo)體周圍也有磁力線。這些場并未封閉在信號路徑與返回路徑之間的空間內(nèi)，而會延伸到周圍的空間，這些延伸出去在場稱為邊緣場。

五、問題解決方案

      根據(jù)問題根因分析可知，要解決EMMC時鐘信號兩側(cè)包地線與鄰層參考地平面因高頻噪聲電流流過時產(chǎn)生的電位差，可以通過兩種方式解決：

解決方案（一）：

圖14：時鐘信號兩側(cè)包地線增加密集過孔

EMMC芯片表層時鐘信號兩側(cè)伴隨線通過密集過孔連接到鄰層參考地平面，使高頻電流流過鄰層參考地平面與流過兩側(cè)伴隨地線時，兩者產(chǎn)生的電位差可以達到忽略的程度。

解決方案（二）：

圖15：時鐘信號兩側(cè)不包地

     刪除表層時鐘信號兩側(cè)伴隨線，并使時鐘信號與旁邊其它信號之間至少保持3W設(shè)計原則，降低與旁邊的串?dāng)_；使表面時鐘信號參考相鄰層完整的參考地平面。

六、案例總結(jié)與思考

        對于多層板，其信號參考設(shè)計建議選擇鄰層做參考平面，為信號回流提供路徑，信號兩側(cè)不再增加包地線，信號布線與兩側(cè)其它信號布線保持3W原則；如果信號兩側(cè)一定要增加包地線則需要通過密集的過孔與相鄰層參考平面相連，使兩側(cè)的包地線與參考地平面之間保持最小電位差。

       兩層板或者單面板，信號布線選擇兩側(cè)包地線作為回流路徑，也要注意包地線與系統(tǒng)之間的電位差問題，否則可能引發(fā)嚴(yán)重的EMC問題。

圖14：信號參考設(shè)計的原則