硬件工程师-EMC整改浅记1

作为刚毕业一年半的硬件工程师，记录一下近期处理的几个EMC问题：

出于职业敏感性，涉及的具体设备名称及用途略去

设备A，外发他国出口时，需要进行FCC class B认证，在认证后查出来辐射超限（也不知道前面的研发工程师搞什么飞机~），设备退回后在国内找了家机构检测出具了报告，报告显示有3个频点超限，分别是480M，960M，750M。看到这三个频点，出于职业敏感性，是不是觉得其中的480M有些熟悉？——USB2.0标准的全速工作频率就是480M，而480M的二次谐波恰好就是480*2=960M。

大胆假设，小心求证，设备到位后，立马拉去射频那边，在暗室用频谱分析仪扫一波（此处不得不感慨大平台的好处，当初秋招没选错hhh）。扫出来发现报告中的三个频点的辐射强度确实相对高了很多，然后由大探头改为小探头定位辐射的具体位置，发现480M和960M的辐射在整机的多处表现均异常强烈，而750M固定在一处表现出强烈辐射，基于前者的情况，拆机进行更进一步的定位。

拆机后对设备主体进行旋转扫描（仅拆外壳，电路连接保持不变），发现辐射在A电路板（姑且如此称呼）经由一条约半米长的线缆和电刷环到B电路板这条路径上非常强烈。打开原理图，发现该线缆为一条4芯的USB2.0线缆（5V,DM,DP,GND）。而750M定位的位置为一块激光管驱动板的对外连接处。

至此，大抵是破案了。

接下来该考虑的就是如何搞定他们了。

首先，分析USB信号辐射超标的原因，这个usb网络经由未加屏蔽且较长的线缆，以及电刷环，即使两根差分线进行了双绞，但是阻抗肯定存在相当程度的突变，而且信号在途径电刷环这里时，由于其结构的特殊性，更是加强了信号的辐射。

怎么解决呢？无非是将信号源的强度减弱，或者是使用屏蔽材料吸收辐射这两种思路。由于usb的host端是SOC，在跟固件同事沟通后，无奈的确认无法在软件层面通过USB配置去降低驱动能力，那么只能在硬件上面着手了。

因为USB过了很长的线缆，在不考虑换用带双屏蔽的线缆的情况下（成本达咩~），首先在预留的两个匹配电阻处（实际焊接0R电阻）处加入了一个共模电感，3个频点的辐射强度均有了一定降低（2~4dbm不等），但是仍然不够。看着这么长的线，考虑再使用磁环进行抑制，根据工作频率选择了镍锌铁氧体材质（高频频段效果较好），测量过线缆直径后选择了能套进去的最小内径磁环（贴合越紧密效果越好），接下来淘宝寻找物料ing，在跟商家确认可以开发票后（笑）遂下单，到手串上去一个磁环后，发现辐射确实有一丢丢降低，那么——加大剂量！在串了五六个磁环后，发现再增加磁环的效果已经微乎其微了（最佳剂量），480M频点的辐射强度相比之前降低了6dbm左右，但是诡异的是，960M频点的强度相对之前竟然有略微增强！！！这种情况发生的原因暂时还没有想通，以后想通了再补上吧~

但是不论什么原因，960M的辐射还是要压下去的，加磁环没用了，那么我们就换一种方法。既然高频部分超标，我们是否可以通过一个低通滤波器把它给吸收呢。行动起来，以600M为截止频率，在反复的计算，试，凑(玄学ing)下，最终在USB的差分线上各自对地接了一个pF级电容，960M频点的辐射强度低于预期值。

至此USB信号的辐射问题暂时告一段落了，可是别忘了，750M频点还在等着呢。

750M辐射点位于激光驱动板与激光器线缆的连接处，通过线缆连接激光器，因为某些原因，无法对这个驱动板进行电路上的变更，所以只剩下抑制（大力出奇迹）这一条路了，套了4个磁环（我发现即使是镍锌铁氧体这种材料，对750M频率的抑制能力也并不是很强，不知道有没有更好的材料），在连接处贴了五六层屏蔽铜箔，终于勉强将辐射降低至限值以下了。时候在跟负责这块电路的工程师沟通的时候，我们一致猜测可能是此处同轴连接线和PCB焊接处出现了阻抗突变，导致了频谱能量的泄露，当然，具体是什么原因还得靠他们在下一次迭代中去进行排查了。

至此设备A的整改告一段落。

设备B，多位客户反馈，因为使用场景的原因，客户在一边使用设备一边使用对讲机通信的时候，设备上面的某个传感器数据会出现错误甚至死机的情况。

设备到手，还是老三样，拉去暗室用频谱仪扫描复现问题。查询原理图，发现异常的数据来自于一块通过较长连接线（又是连接线 —_— ）连接主控板的传感器数据板。示波器设置交流耦合，探头怼上传感器数据板的线缆3V3电源网络，打开对讲机——电源纹波从20mv左右陡然升至300+mv，好家伙，线缆貌似成天线了（笑），接下来同样的方法继续测试两个IIC信号线，发现耦合进来的对讲机信号均是非常大的，基本上可以确定，这就是导致数据乱码以及小板上面单片机的死机停发的原因。

怎么处理呢，有了对付设备A的经验后，先上磁环抑制线缆的信号突变 —— 这里可能会疑惑了，前面用磁环不是为了阻止信号向外辐射吗？这里不是辐射出去啊。即使是吸收进来的高频信号，只要在线缆上存在，也一样可以进行抑制的，有兴趣的同学可以去了解一下磁环的抑制原理。

在使用磁环大法后，设备B对于对讲机的抗干扰能力确实好了一些，当时在对讲机贴近设备时，仍然会出现乱码的情况，这个时候使用示波器继续观测线缆传输过来的信号波形，发现以电源网络为例，纹波叠加外部干扰后的幅度仍然高达120mv+。还是从降低信号干扰幅度的角度出发，因为板子安装的位置比较刁钻且不能拆卸，不好加共模电感，看原理图，在连接器入口位置也有nF电容滤波，抱着试一试的心态，在接口处额外加了一颗220uF的聚合物电容充当“大水塘”作为电源的缓冲。在这里实现类似“阻尼”的效果。装机通电实测纹波叠加外部干扰后的幅度降低至约80mv，虽然仍然不算很低，但是没有再复现数据乱码或者死机的情况了。

至此，设备B的整改也完成了。

总结一下这两次整改经历，在遇到EMC问题时，应该先复现问题，再根据具体情况进行分析，使用工具（示波器，频谱仪等）定位问题点（具体的电路，模块）。解决思路基本上是降低信号强度（减弱信号源）和屏蔽吸收（传播过程中减弱）两种，具体使用的手段多数情况下是根据辐射频率利用不同材料，规格的共模电感，滤波器，磁珠等器件或者电路，亦或者增加金属屏蔽层（同轴电缆，金属壳等）达到目的。

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