PCB, 灌孔(Via), 屏蔽, 時(shí)鐘訊號(hào), 與接地對(duì)天線(xiàn)靈敏度之剖析與研究

1、Radiation from PCB and Via由1-3可知，電流流經(jīng)金屬導(dǎo)體，便會(huì)產(chǎn)生寄生電感，而由于現(xiàn)今數(shù)字IC的切換速度越來(lái)越快，因此在電壓切換瞬間所產(chǎn)生的瞬時(shí)電流，也越來(lái)越大，如下圖:這使得數(shù)字IC的切換噪聲，也越來(lái)越大。雖然由天線(xiàn)理論可知，IC本體因?yàn)槌叽邕^(guò)小，所以其輻射效率很差5，換言之，IC本體很難將其噪聲有效輻射出去，但由下圖可知，PCB本體可以充當(dāng)天線(xiàn)，進(jìn)而將數(shù)字IC的切換噪聲，有效輻射出去，若干擾到天線(xiàn)本身，則靈敏度就會(huì)變差6，因此需針對(duì)此議題，做一番研究與探討。下式是共模噪聲的輻射場(chǎng)強(qiáng)10-12 :f是頻率，L是其導(dǎo)體長(zhǎng)度，r是輻射源與Receptor的距離，IC是電

2、流強(qiáng)度。由上式可知，當(dāng)頻率越高，其輻射強(qiáng)度就越大，雖然前述已知，IC本體不會(huì)是個(gè)有效輻射體，但由于現(xiàn)今的PCB，幾乎都是多層板，亦即層與層之間的距離越來(lái)越薄，因此層與層之間，會(huì)形成導(dǎo)波管結(jié)構(gòu)，如此便構(gòu)成了有效的輻射體，如下圖其等效電路如下4 :而我們由4可發(fā)現(xiàn)，若我們將PCB本體當(dāng)天線(xiàn)來(lái)分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)Decoupling電容的數(shù)量越多，其輻射效率越低，如下圖 :而由輻射干擾的角度來(lái)看，也確實(shí)，Decoupling電容的數(shù)量越多，其輻射干擾越低，如下圖 :因此我們得到一個(gè)結(jié)論，Decoupling電容確實(shí)可抑制PCB本體的輻射能力，數(shù)量越多，抑制能力越好。而若以阻抗觀點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)镈eco

3、upling電容，會(huì)使PCB整體阻抗的電容性增強(qiáng)，以至于阻抗下降，如下式 :而Decoupling電容數(shù)量越多，其阻抗就下降越多，由實(shí)際量測(cè)結(jié)果也證實(shí)這點(diǎn)，如下圖4 :而我們由傅立葉變換可知，若頻率越高，則電流變化越快。若依照電磁波理論，亦即越容易產(chǎn)生輻射，如下圖9 :由9可知，Via也是個(gè)有效的輻射源，由前述已知，若整體阻抗越大，則輻射效率越好，因此倘若Via的孔徑越細(xì)，或長(zhǎng)度越長(zhǎng)，那么輻射效率就越好。而由仿真結(jié)果看來(lái)，發(fā)現(xiàn)其Via處的電流強(qiáng)度，也確實(shí)最強(qiáng)9。因此一些高速數(shù)字訊號(hào)，盡可能不要打Via穿層。而由天線(xiàn)互易定理可知，一個(gè)良好的發(fā)射天線(xiàn)，也會(huì)是一個(gè)良好的接收天線(xiàn)，換言之，Via會(huì)很容

4、易接收外來(lái)輻射噪聲。所以訊號(hào)Via，除了周遭要用GND包好外，也必須要多打GND Via。XTAL Oscillator由10-11可知，CLK訊號(hào)，其倍頻會(huì)干擾接收訊號(hào)，導(dǎo)致靈敏度下降，以MTK平臺(tái)為例，最常使用26 MHz的CLK，而在該案例中，一些Channel被干擾，其頻率也確實(shí)是26 MHz的倍頻，如下圖 :因此我們?cè)谙聢DC607跟C608，擺放Bypass電容，以濾除噪聲。其量測(cè)結(jié)果如下 :由上圖可發(fā)現(xiàn)，加了12 pF的落地電容，靈敏度反而比原來(lái)還差。但12 pF落地電容的頻率響應(yīng)如下圖 :我們可以發(fā)現(xiàn)，12 pF落地電容，其實(shí)在上述這些Channel，都有抑制噪聲的能力，但實(shí)際上

5、量測(cè)結(jié)果卻不如預(yù)期，這主要是因?yàn)?，在做仿真時(shí)，固然可以將組件本身的寄生效應(yīng)考慮進(jìn)來(lái)，如下圖 :但實(shí)際上PCB走線(xiàn)本身也會(huì)有寄生效應(yīng)，但這部份仿真時(shí)無(wú)法考慮進(jìn)來(lái)，如下圖 :因此導(dǎo)致量測(cè)結(jié)果卻不如預(yù)期，所以仍需依實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)落地電容值做微調(diào)。另外由(12 pF + 33pF)的量測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在DCS 1800的Ch716，其靈敏度特別差，比單一顆12 pF，單一顆33 pF，甚至是原本什么都不加的情況還差。這主要牽扯到反諧振3-5，由12 pF 跟33 pF的落地電容頻率響應(yīng)可知，在1795 MHz之處，會(huì)有其交叉點(diǎn)，因此(12 pF + 33pF) 的落地電容頻率響應(yīng)，在1795 MHz會(huì)產(chǎn)生反

6、諧振，而DCS 1800的Ch716，其頻率為1846 MHz，正好很接近反諧振之處，因此若要同時(shí)使用二個(gè)甚至多個(gè)落地電容時(shí)，需考慮到反諧振的因素。在1-3中，我們知道串聯(lián)磁珠或電感，也是抑制噪聲的方法之一，然而由量測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在R605跟R607擺放磁珠后，其靈敏度卻反而變差，如下圖 :由1-3可知，磁珠與電感抑制噪聲的原理不同，電感是利用其高感抗，將噪聲反射回去，而磁珠是利用其電阻性，將噪聲轉(zhuǎn)換成熱能，如下圖 :換言之，在抑制噪聲的效能上，必須將磁珠以電阻看待。同時(shí)由1-3可知，CLK訊號(hào)需以電阻做阻抗匹配，否則會(huì)因阻抗不匹配而使波形失真，以及產(chǎn)生輻射干擾，如下圖 :因此終端電阻值，就顯得

7、很重要。因此R605跟R607之所以擺放磁珠后，其靈敏度卻反而變差，有可能是因?yàn)樵摯胖榈碾娮柚担笴LK訊號(hào)的阻抗偏離，產(chǎn)生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此如前述的落地電容一般，仍需依實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)磁珠值做微調(diào)。Shielding and GNDing另外由13可知，IC本體因?yàn)槌叽邕^(guò)小，所以其輻射效率很差，換言之，IC本體很難將其噪聲有效輻射出去，但由下圖可知，PCB本體可以充當(dāng)天線(xiàn)，進(jìn)而將噪聲有效輻射出去，若干擾到天線(xiàn)本身，則靈敏度就會(huì)變差，如下圖 :更何況由下圖可知，其DDR與CPU的IC本體都不算小，換言之，其IC本體與周遭的PCB，都有將高速噪聲輻射出去的能力。甚至由13可知，倘若有

8、高速數(shù)字訊號(hào)的灌孔，這些灌孔也會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。因此在Shielding Cover開(kāi)孔處，貼上導(dǎo)電泡綿，或是貼上銅箔甚至直接將Shielding Cover開(kāi)孔處改為閉合，都有助于屏蔽噪聲，避免產(chǎn)生輻射干擾，使靈敏度下降。而SD Card也是高速噪聲來(lái)源，因此倘若Shielding Frame吃錫不良，同樣會(huì)使其高速訊號(hào)泄漏輻射出去，干擾天線(xiàn)造成靈敏度下降。此時(shí)可能需透過(guò)微調(diào)工廠SMT制程的方式，來(lái)加強(qiáng)Shielding Frame的吃錫。而LCM的FPC Connector，也是常見(jiàn)噪聲來(lái)源之一。當(dāng)靈敏度劣化時(shí)，可仿照10的實(shí)驗(yàn)手法，先導(dǎo)電貼布貼在FPC Connector，除了屏蔽作用外，

9、也可使其輻射噪聲都透過(guò)導(dǎo)電貼布流到GND，而不會(huì)去干擾天線(xiàn)的接收訊號(hào)，使其靈敏度下降。如果該實(shí)驗(yàn)手法能使靈敏度有所改善，那證明噪聲來(lái)源是來(lái)自FPC Connector，再針對(duì)該處及相關(guān)電路，導(dǎo)入解決方案即可。當(dāng)然PCI-E的Connector，也是常見(jiàn)噪聲來(lái)源之一，因此用銅箔加以屏蔽，并使其輻射噪聲都透過(guò)銅箔流到GND，也有助于避免輻射干擾使靈敏度下降。而以導(dǎo)電貼布，加強(qiáng)FPC的接地，也有助于輻射干擾的抑制。或是LCM上黏貼兩片雙面導(dǎo)電膠，加強(qiáng)接地，也能改善靈敏度。而由10-13可知，共模噪聲的輻射場(chǎng)強(qiáng)如下式 :f是頻率，L是其導(dǎo)體長(zhǎng)度，r是輻射源與Receptor的距離，IC是電流強(qiáng)度。雖然

10、理論上電源為直流，頻率為零，依據(jù)上式，是不會(huì)有輻射場(chǎng)強(qiáng)，但實(shí)際上只要有負(fù)載，電壓就會(huì)有Ripple，就不會(huì)是純DC，頻率不會(huì)為零，而PCB走線(xiàn)本身會(huì)有等效電阻，換言之，任何一條電源走線(xiàn)，都可能會(huì)引起輻射干擾，加上電源走線(xiàn)的電流強(qiáng)度很大，因此是很強(qiáng)的輻射干擾源，倘若走線(xiàn)在表層，且長(zhǎng)度又過(guò)長(zhǎng)，那么其輻射干擾會(huì)更加強(qiáng)大，如下圖 :因此一般而言，電源走線(xiàn)最好走內(nèi)層，倘若不得已要走表層，至少不要走板邊，長(zhǎng)度不要過(guò)長(zhǎng)，倘若還是無(wú)可避免，可以在表層的電源走在線(xiàn)貼銅箔，屏蔽其輻射干擾。然而該注意的是，貼上銅箔前，需先將PCB的表層絕緣漆，一部分用小刀刮開(kāi)，使其鋪銅能露出，這樣才能將電源走線(xiàn)產(chǎn)生的輻射干擾，都流

11、到GND，以達(dá)到抑制輻射噪聲的效果。因?yàn)榍笆鲆阎?，任何金屬?zèng)]接地，就是天線(xiàn)，且尺寸越大，輻射效率越好，換言之，倘若沒(méi)讓銅箔做上述接地的動(dòng)作，則該銅箔反而會(huì)是個(gè)輻射效率佳的天線(xiàn)，此時(shí)不但無(wú)法抑制輻射干擾，反而可能使其更加惡化，因此需特別注意。但有一點(diǎn)需特別注意，這方法只能適用于不需阻抗控制的走線(xiàn)，如電源走線(xiàn)或控制訊號(hào)，若需作阻抗控制的高速訊號(hào)線(xiàn)，如MIPI, USB, PCIE等，或是RF走線(xiàn)，則不宜用該方法，因?yàn)榧纳?yīng)會(huì)使阻抗偏離。High Speed Digital Signal由16可知，由于高速訊號(hào)的波形，會(huì)趨近于方波，因此在頻域上，會(huì)有大量的輻射噪聲，如下圖 :而這些高速噪聲，在PC

12、B會(huì)有頻率響應(yīng)，亦即不同頻率點(diǎn)，其噪聲的強(qiáng)度也有所不同16。CLK訊號(hào)，其倍頻會(huì)干擾接收訊號(hào)，導(dǎo)致靈敏度下降，而前述已知，其CLK訊號(hào)所產(chǎn)生的噪聲，在PCB會(huì)有頻率響應(yīng)，因此也可透過(guò)改變CLK訊號(hào)的頻率，來(lái)緩和該問(wèn)題，下圖是將LCM的CLK，由43 MHz改成54 MHz的量測(cè)比較 :由上圖可以看到，改為54 MHz后，原本Fail的Channel變Pass了，但此時(shí)改為54 MHz倍頻的Channel Fail了，但很重要的一點(diǎn)是，相較于43 MHz倍頻的Channel，54 MHz倍頻的Channel，其劣化程度比較小，亦即緩和了該問(wèn)題。 所以我們可以透過(guò)改變CLK頻率的方式，先將問(wèn)題緩和

13、，那么接下來(lái)要解噪聲就比較好解。而因?yàn)镃amera跟FPC，都是常見(jiàn)的輻射干擾來(lái)源，因此Placement時(shí)，盡可能遠(yuǎn)離天線(xiàn)，避免其噪聲直接耦合到天線(xiàn)，使靈敏度下降。而也因?yàn)镃amera是常見(jiàn)的輻射噪聲來(lái)源，因此可在其Camera電源VREG，以及MCLK上，擺放Bypass電容，由下圖可知，在這兩處擺放了39 pF后，其靈敏度以改善許多。而上圖的MCLK，因?yàn)橛蠧1820跟C1821兩個(gè)落地電容可擺放，而由下圖也可看出，擺放兩個(gè)39 pF，其噪聲的抑制能力更好，因此可同時(shí)擺放兩個(gè)39 pF，來(lái)加強(qiáng)噪聲的抑制能力。當(dāng)然，原則上可在R1811處，再擺放磁珠，進(jìn)一步加強(qiáng)噪聲抑制能力，但前述已知，磁

14、珠的電阻值，可能會(huì)使CLK訊號(hào)的阻抗偏離，產(chǎn)生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此需特別注意。還有一點(diǎn)需注意的是，C1820跟C1821，需各別獨(dú)立下Main GND，不可在表層共地，否則不但不會(huì)使噪聲流到Main GND，反而會(huì)使其又竄回MCLK上，導(dǎo)致完全無(wú)噪聲抑制能力?；蚴窃贑amera的差分MIPI訊號(hào)上，添加EMI Filter，來(lái)抑制共模噪聲15。當(dāng)然由10-11可知，其EMI Filter的電阻，有可能會(huì)使CLK訊號(hào)的阻抗偏離，產(chǎn)生阻抗不匹配，以至噪聲反而變大，因此需特別注意。至于EMI Filter的挑選事項(xiàng)，詳情可參照1-3，在此就不贅述。另外，由于天線(xiàn)附近，常會(huì)擺放LED，其

15、控制訊號(hào)產(chǎn)生的的噪聲，也可能會(huì)耦合到天線(xiàn)的接收訊號(hào)，導(dǎo)致靈敏度下降。因此在Placement時(shí)，同前述的Camera跟FPC，盡可能遠(yuǎn)離天線(xiàn)。或是在其控制訊號(hào)上，擺放落地電容，以達(dá)到抑制噪聲之效，進(jìn)而改善靈敏度。而由14可知，Qualcomm平臺(tái)的GP_Syn，GP_Clk (57.6 MHz)，N-pler (57.6 MHz)，也是常見(jiàn)的噪聲來(lái)源，因此需特加注意。Reference1 上集_磁珠_(kāi)電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫(kù)2 中集_磁珠_(kāi)電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫(kù)3 下集_磁珠_(kāi)電感_電阻_電容 于噪聲抑制上之剖析與探討, 百度文庫(kù)4

16、 EMI Prediction Methodology for PCB Excited by. Switching Noise of IC5 Fundamental Dimension Limits of Antennas6 GSM射頻接收機(jī)靈敏度之解析與研究, 百度文庫(kù)7 Proper Stack-Up in a Multilayer PCB to Reduce Noise Coupling and ImproveEMI8 Field and Wave Electromagnetics,9 Radiation from Edge Effects in Printed Circuit Boards (PCBs)10 手機(jī)耦合靈敏度劣化(De-sense)之一些原因分析與改善對(duì)策, 百度文庫(kù)11 高速數(shù)字訊號(hào)對(duì)于手持產(chǎn)品天線(xiàn)靈敏度之影響與探討, 百度文庫(kù)12 避免FM訊號(hào)靈敏度劣化(Desense)之防治措施_以MT6616平臺(tái)為例, 百度文庫(kù)13 PCB與灌孔(Via)產(chǎn)生輻射干擾之機(jī)制與原理探討, 百度文庫(kù)14 GSM Troublesho