优化近场扫描仪的硬件设计

文章：Arturo Mediano

我喜欢附近的探针，因为他们让我“看到”磁场和电场用示波器或频谱分析仪。他们让董事会，电缆和系统中的排放来源。近场扫描仪也让您看到排放，特别是在董事会上。这与一个探针很难做到。

今天市场上有几个EMI / EMC扫描仪，例如来自Emscan，Detectus和API等的产品。扫描仪基本上是一系列近场探针，放置在网格中。因此，它可以产生棋盘排放的图像，这些排放量更加一致，并且可以通过用探针手动扫描电路板来获得更符合和重复的。

EMXPERT来自EMSCan的扫描仪是一个这样的扫描仪。我在我的实验室里使用它。这是我如何用它来评估课程的解耦网络的示例。图1显示了扫描区域21.8cm x 31.6cm的扫描仪，扫描被测PCB。

___figure 1：__ *在近场扫描仪顶部测试的PCB。（照片由A. Mediano）*

扫描仪由数千个环间隔开，使其提供小于1mm的分辨率。频率范围从50kHz到8GHz，具体取决于模型。环形天线敏感至-135DBM，高速电子切换系统在不到1秒内提供实时分析。

EMI Scanners让您快速分析和比较设计迭代并优化硬件设计。我用它们进行故障排除和教学。在这里，我将使用它来演示解耦网络如何减少电路板的排放。

例如，考虑具有24MHz时钟的典型电路（图2）。包含该电路的电路板也具有解耦电路。+ 5V电源来自USB连接器。电路板包括SMD保险丝，用于视觉反馈的小LED，以及几个去耦电容器。负载时钟是50Ω电阻。

__配置2：__ * IC时钟去耦网络的基本原理图。*

从电源运行IC的电源需要瞬态电流（是）。通常，该电流（谐波）的高频内容是许多所进行和辐射的EMI问题的来源。

去耦网络（通常是表面安装电容器和铁氧体）用于最小化通过电源的高频分量。如果解耦电路按预期工作，则当前IPSU将减少到DC，因为瞬态将通过去耦电容（IC）的路径返回电力返回。使用两个跳线，我们可以启用/禁用解耦网络并评估其有效性。在图3中，VCC迹线位于顶层。GND迹线（无接地平面）位于底层上。

___figure 3：__ * PCB对我们的解耦示例的一般视图。*

光谱扫描让我们识别来自电路板的信号，该信号通常来自振荡器和时钟。信号可以是寄生振荡或振铃，这难以预防。通过光谱扫描，我们可以测量来自电路板的任何信号。

图4中的光谱扫描允许您识别24MHz时钟的瞬态电流的谐波和环境中的一些EMI，包括FM广播信号（88MHz至108MHz）。

___figure 4：__ *光谱扫描清楚地显示了PCB的排放。*

通过光谱扫描和空间扫描，您可以识别该信号的当前路径，如果要最大限度地减少EMI / EMC和SI问题，则可以识别该信号的当前路径。图5显示了解耦网络不是电路的一部分时的电路板的排放。也就是说，横跨铁氧体珠子的开关关闭，开关与电容器串联开放。结果：一个大循环，在大部分电路板上产生排放。大环可以为时钟信号，高频谐波的辐射发射，与其他板或电缆的串扰，以及电源或电缆的注入噪声产生失真。

__5：__ *光谱和空间扫描而不解耦网络。在大循环中清楚地识别电流路径（最大水平被读为DBμV以红色）。*

利用解耦网络使能，循环尺寸要小得多（瞬态采用去耦电容的路径），并且EMI电流包含在更靠近时钟IC的区域中（图6）。注意现在红色的最大级别现在超过16dB以下的测量值（具有相同的比例，这一新绘图基本上是蓝色的）。

__5：__ *通过使能解耦电路，排放量大大减少。*

在进行审查产品时的典型问题是：“您是否使用了解耦电容？”通常，响应是：“当然，我有一个100nf电容器。”

这还不够。

有时，您的系统中有一个电容器（或解耦电路），但没有有效的解耦，因为终端阻抗与所选择的拓扑不匹配，电容技术/值不正确，或者在布局中寄生效应包装是主导的。通过近场扫描，您可以检测到解耦系统的真正工作方式。