FCC 테스트 전 복사 방출 예측: PCB 엔지니어의 설명

사전 컴플라이언스 스캐닝만으로는 충분하지 않음

Raspberry Pi 크기의 SBC에는 100MHz 프로세서 클럭, 스위칭 레귤레이터와 벌크 커패시터 사이의 2cm² 전원 루프, 호스트 인터페이스용 0.5m USB 케이블이 있습니다.설계 검토 중에 PCB 검토자가 두 가지를 모두 신고했습니다.사전 컴플라이언스 스캔을 통해 문제가 확인되었습니다. 300MHz, 500MHz 및 700MHz에서의 고조파는 3미터에서의 FCC Part 15 클래스 B 제한의 6dB 이내라는 것이었습니다.

예정된 FCC 테스트가 시작되기까지 4주가 남았습니다.새 보드를 돌리는 데는 3시간이 걸립니다.어떤 변화가 문제를 해결할지, 어떤 것이 노력을 낭비하는지 정확히 알아야 합니다.

EMI 복사 방출 추정기는 차동 모드 (DM) 루프 방사선과 공통 모드 (CM) 케이블 방사선을 모두 모델링하고, 사다리꼴 클록의 스펙트럼 엔벨로프를 적용하고, 측정 불확실성에 대해 몬테카를로를 실행하여 FCC 한도에 대한 수율 수치를 산출합니다.이것이 바로 필요한 분석입니다.

두 가지 방사선 메커니즘의 이해

디지털 PCB의 복사 방출은 물리적으로 서로 다른 두 가지 메커니즘에서 비롯되며, 하나를 수정해도 다른 메커니즘에는 영향을 미치지 않습니다.

디퍼런셜 모드 방사는 PCB의 폐쇄형 루프 (일반적으로 스위칭 레귤레이터 전원 루프, 디커플링 커패시터 리턴 경로 또는 리턴과 쌍을 이루는 고속 신호 트레이스) 에서 순환하는 전류에서 비롯됩니다.작은 루프의 필드는 근거리장에서는 “MATHINLINE_1"로 떨어지지만 원거리장에서는 “MATHINLINE_2"로 전환됩니다.FCC는 3m에서 측정하며, 약 16MHz 이상의 주파수에서는 원거리 영역에서도 확실하게 측정합니다.

“MATHINLINE_3" 거리에 있는 작은 DM 루프에서 나오는 전기장은 대략 다음과 같습니다.

“매스블록_0"

여기서 “MATHINLINE_4"는 Hz 단위이고, “MATHINLINE_5"는 루프 전류 (암페어) 이고, “MATHINLINE_6"은 m² 단위의 루프 영역입니다.

공통 모드 방사선은 케이블에 같은 방향으로 흐르는 전류에서 비롯됩니다 (차동 복귀 없음).0.5미터 케이블의 마이크로암페어 CM 전류도 케이블 길이가 λ/4에 근접하는 주파수에서는 효율적인 안테나를 만들 수 있습니다.0.5m 케이블은 150MHz 근처에서 공진하는데, 이는 100MHz 클록 고조파 범위와 거의 비슷합니다.

기준 분석: 문제 설계

EMI 복사 방출 추정기에 다음을 입력합니다.

이 툴은 상승 시간이 1ns인 100MHz 클록의 스펙트럼 엔벨로프를 생성합니다.사다리꼴 파형의 스펙트럼 엔벨로프는 “MATHINLINE_7”보다 20dB/10년간 롤오프되며, 1ns 상승 시간 동안 약 318MHz입니다.이 코너 주파수 아래에서는 홀수 고조파 (100, 300, 500, 700MHz...) 가 비교적 평평한 엔벨로프에 속합니다.그 위에서는 고조파가 빠르게 떨어집니다.

이 도구는 기준 입력값을 사용하여 다음과 같이 보고합니다.

• 300MHz (3차 고조파) : DM 추정치 42dBµV/m, CM 추정치 48dBµV/m, FCC 클래스 B 제한 40dBµV/m. CM은 제한을 8dB 초과합니다.
• 500MHz (5차 고조파) : DM 추정치 35dBµV/m, CM 추정치 44dBµV/m, FCC 한계 47dBµV/m. CM은 3dB 미만이지만 95번째 백분위수 몬테카를로 결과는 한계를 초과합니다.
• 700MHz (7차 고조파) : 두 소스 모두 47dBµV/m에서 한계 이하로 떨어집니다.

300MHz 이상에서는 CM 케이블 전류가 가장 큰 문제입니다.이는 사전 컴플라이언스 스캔 패턴과 완벽하게 일치합니다.

고주파에서 USB 케이블이 우세한 이유

100MHz에서 0.5m 케이블은 λ/6입니다.비효율적입니다.300MHz에서는 λ/2, 즉 반파장 쌍극자입니다.방사 효율이 최고조에 달합니다.500MHz에서는 케이블이 전파장이므로 효율이 약간 떨어지지만 5µA CM 전류만으로도 한계에 도달할 수 있습니다.

2cm²에서의 DM 루프는 무시할 수 없는 수준이지만, 필드 방정식의 “MATHINLINE_8” 의존성은 불리하게 작용합니다. 고조파가 낮을 때는 크게 영향을 주지만 좁은 면적이 이를 제한하기 때문입니다.CM 안테나 역할을 하는 이 케이블은 면적 제한이 동일하지 않습니다. 즉, 쌍극자 형태로 방사하므로 확장성이 훨씬 더 좋습니다.

이것이 바로 디커플링 커패시터를 추가하는 것만으로는 이 문제를 해결할 수 없는 이유입니다.디커플링은 DM 루프 전류를 줄입니다.USB 케이블의 CM 전류는 보드의 공통 모드 노이즈 전압과 케이블 실드 또는 접지 기준 간의 기생 결합에서 비롯됩니다.USB 라인에는 CM 초크가 필요합니다.

수정 사항: 세 가지 대상 변경

제안된 설계 변경 사항을 반영하도록 도구 입력을 업데이트하십시오.

100,000회의 몬테카를로 시험판을 사용해 재실행하십시오.결과:

• 300MHz: DM 33dBµV/m, CM 28 dBµV/m, 95번째 백분위수 36dBµV/m 대 40dBµV/m 제한. 4dB 마진.
• 500 MHz: DM 22 dBµV/m, CM 24 dBµV/m, 95번째 백분위수 30dBµV/m 대 47dBµV/m 제한. 17dB 마진.
• 700MHz: 두 소스 모두 한계보다 훨씬 낮습니다.

수율 (모든 고조파에서 FCC 한계보다 낮은 MC 트라이얼의 비율) 은 34% 에서 98% 로 증가합니다.

구현 노트

**전력 루프를 2cm²에서 0.5cm²로 조인다는 것은 스위칭 레귤레이터의 벌크 입력 커패시터를 V_in 및 GND 핀에 최대한 가깝게 이동시켜 복귀 경로가 짧고 넓다는 것을 의미합니다.루프 면적을 4배 줄이면 DM 전계 강도가 16배가 아니라 4배 (선형, 12dB) 감소합니다. 필드 방정식에서 면적은 제곱이 아니라 선형으로 나타납니다.

CM 초크는 케이블 쪽이 아닌 PCB 쪽 커넥터와 가까운 USB 라인에 배치해야 합니다.100MHz에서 90Ω CM 임피던스로도 충분합니다. 일반적으로 TDK ACM2012 또는 Wurth 742792090과 같은 부품을 선택하는 것이 좋습니다.이 시나리오에서는 부품 하나를 직렬로 삽입하면 CM 전류를 14dB까지 줄일 수 있습니다.

**상승 시간을 1ns에서 5ns로 늦추면 스펙트럼 롤오프 코너가 318MHz에서 64MHz로 이동합니다.이전에 스펙트럼의 평탄한 부분에 있었던 300MHz 고조파는 이제 -20dB/10년의 기울기에 머물며 약 14dB만큼 감쇠됩니다.클럭 네트의 22Ω 계열 저항은 BOM 또는 보드 영역에서 비용이 전혀 들지 않습니다.

세 가지 변경 사항은 모두 PCB 재배치 및 부품 1개를 추가하여 구현할 수 있습니다.프로세서 섹션의 하드웨어 리스핀은 필요하지 않습니다.

[EMI 복사 방출 추정기] (/tools/EMI 방사)