Was strahlt auf meiner Leiterplatte?

Dies ist ein schwieriges Problem, das in ein paar hundert Wörtern behandelt werden kann, daher wird dies kurz sein und Sie müssen nur selbst etwas recherchieren. Aber ich werde versuchen, es so weit zusammenzufassen, dass Sie zumindest wissen, was Sie recherchieren müssen.

Sie müssen sich mit Leiterbahnimpedanz, Signalabschluss, Signalrückpfaden und Bypass-/Entkopplungskappen auskennen. Wenn Sie diese absolut richtig verstanden haben, haben Sie keine EMV-Probleme. Es ist unmöglich, es zu 100 % perfekt zu machen, aber Sie können dem viel näher kommen, als Sie es jetzt sind.

Schauen wir uns zuerst die Signalrückwege an... Für jedes Signal muss es einen Rückweg geben. Normalerweise befindet sich die Rückleitung auf der Stromversorgungs- oder Masseebene, aber sie könnte auch woanders sein. Auf Ihrer Leiterplatte erfolgt die Rücksendung in einem Flugzeug. Der Rückweg geht vom Empfänger zurück zum Treiber. Der Schleifenbereich ist die physische Schleife, die durch das Signal plus den Rückweg erzeugt wird. Normalerweise sorgen die Gesetze der Physik dafür, dass die Loop-Fläche so klein wie möglich ist - aber das PCB-Routing will das durcheinander bringen.

Je größer der Schleifenbereich, desto mehr HF-Probleme werden Sie haben. Sie emittieren nicht nur mehr HF als Sie möchten, sondern erhalten auch mehr HF.

Die Signale auf der unteren (blauen) Schicht möchten, dass ihr Rückweg auf der angrenzenden Ebene auf der nächsten Schicht (cyan) liegt – da dies den Schleifenbereich so klein wie möglich macht. Signale auf der obersten (roten) Schicht haben ihren Rückweg auf der Goldschicht.

Wenn ein Signal auf der obersten Schicht beginnt und dann durch eine Durchkontaktierung zur unteren Schicht geht, dann wird der Signalrückweg am Punkt der Durchkontaktierung von der Gold- auf die Cyan-Schicht wechseln wollen! Dies ist eine wesentliche Funktion von Entkopplungskappen. Normalerweise wäre eine Ebene GND und die andere VCC. Beim Umschalten zwischen den Ebenen kann ein Signalrückweg durch die Entkopplungskappe gehen. Aus diesem Grund ist es oft wichtig, Kappen zwischen den Ebenen zu haben, auch wenn dies aus Leistungsgründen offensichtlich nicht erforderlich ist.

Ohne eine Entkopplungskappe zwischen den Ebenen kann der Rückweg keinen direkteren Weg nehmen, und so wird die Schleifenfläche größer – und die EMV-Probleme nehmen zu.

Aber Lücken/Spalte in den Ebenen können noch problematischer sein. Ihre Goldschicht hat geteilte Ebenen und Signalspuren, die Probleme verursachen. Wenn Sie die roten und goldenen Schichten vergleichen, sehen Sie, wie Signale die Hohlräume in den Ebenen durchqueren. Jedes Mal, wenn ein Signal eine Lücke im Flugzeug überquert, wird etwas schief gehen. Der Rückstrom wird im Flugzeug sein, aber er kann der Spur nicht über die Leere folgen, also muss er einen großen Umweg nehmen. Dies erhöht die Schleifenfläche und Ihre EMV-Probleme.

Sie können eine Kappe über die Leere platzieren, genau dort, wo sich die Signale kreuzen. Ein besserer Ansatz wäre jedoch, die Dinge umzuleiten, um dies von vornherein zu vermeiden.

Dasselbe Problem kann auch auftreten, wenn Sie mehrere Durchkontaktierungen haben, die nahe beieinander liegen. Der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen und der Ebene kann Schlitze in den Ebenen erzeugen. Verringern Sie entweder den Abstand oder breiten Sie die Durchkontaktierungen so aus, dass sich kein Schlitz bildet.

Ok, das ist also das größte Problem mit Ihrem Board. Sobald Sie das verstanden haben, müssen Sie sich mit der Signalterminierung und der Steuerung der Leiterbahnimpedanz befassen. Danach müssen Sie sich mit Ihrer Ethernet-Verbindung mit Abschirmungs- und Chassis-GND-Problemen befassen (nicht genügend Informationen in Q, um einen genauen Kommentar abzugeben).

Ich hoffe das hilft. Ich bin wirklich durch die Probleme geflogen, aber das sollte Sie zum Laufen bringen.

Nachdem ich mein Board neu gedreht habe, scheint das Geräusch deutlich reduziert zu sein. Ich habe ziemlich viele Änderungen vorgenommen, daher ist es schwierig, genau zu wissen, welche dafür verantwortlich waren. Im Grunde habe ich die EMV-Vorkehrungen der Beckhoff EtherCAT-Module kopiert

• Ferrite auf allen Power Pins des ET1200 ASIC, mit Kappen vor und nach dem Ferrit.
• 5pF-Kondensator, zwei Ferrite und Gleichtaktdrossel auf den abgehenden LVDS-Leitungen.
• Verbessertes Kristall-Layout, mit vollständiger Masseebene darunter. Ich folgte auch Olins Rat bezüglich der Verbindung der Lastkappen des Kristalls mit der Masse.

Was strahlt eigentlich? Es ist schwer sicher zu sein, die Abschirmung des ET1200 selbst schien nicht zu helfen. Auch das Hinzufügen von Ferriten zum Kabel war nicht erforderlich. Das einzige, was geholfen hat, war, die Platine in eine Metallbox einzuschließen. Ich vermute also, dass es an der Platine lag. Vielleicht fungiert die Grundplatte als mittengespeiste Patchantenne, wie Olin vorgeschlagen hat.

Ich denke, die 25-MHz-Oberwellen weisen auf Probleme im Zusammenhang mit Ethernet hin. Ich bin mit den Empfehlungen von Micrel nicht vertraut, aber die meisten anderen Anbieter empfehlen einen Mindestabstand zwischen Phy und Magnetics, der auf Ihrem Board nicht ersichtlich ist. Außerdem befindet sich unter den Magneten eine durchgehende Masseebene, was an den meisten Orten ebenfalls nicht empfohlen wird.

Es ist mit den Layoutbildern ziemlich schwer zu sagen, aber es sieht so aus, als ob die Spur, die unter der Phy verläuft, dann herausgezogen wird und als schöne Antenne auf der gegenüberliegenden Schicht herauskommt. Dies könnte vielleicht mit einer Nahfeldsondierung bestätigt werden?

Dinge, die im Nahfeld und nicht im Fernfeld auftauchen, bedeuten meines Erachtens, dass es für diese Frequenz keinen effektiven Kopplungspfad und keine Antenne gibt.

Bist du absolut sicher, dass du alles richtig umgangen hast? Ich hatte einen EMV-Tester, der mir sagte, er habe ein Board, das von nicht bestanden zu bestanden ging, weil sie eine Bypass-Kappe verpasst hatten. Sie können auch sicherstellen, dass Ihre Bypass-Kappen bei 25 MHz so funktionieren, wie Sie es möchten. Verwenden Sie einen Spektrumanalysator mit Mitlaufgenerator und eine 50-Ohm-Streifenleitung mit darauf gelöteten Kappen, und sehen Sie, wie sie wirklich funktionieren.

Ich denke, die Antwort von David Kessner ist immer noch eine Überlegung wert. Ich habe nicht das Gefühl, dass wir hier wirklich vollständig genug Informationen haben.

Ich denke, das Allerbeste wäre, ein oder zwei Stunden bei einem erfahrenen EMC-Techniker zu mieten (vielleicht haben Sie einen im Haus) und alles aufzunehmen, was er Ihnen über Ihr Board erzählt.