一、问题现象描述

某应用于汽车电子的中控显示屏模组，在进行30MHz-2.68GHz频段辐射发射测试时，发现156MHz频点超标，具体表现为尖峰状干扰，测试数据如下图所示：

图1：辐射发射测试数据（原始测试数据）

电子工程师花费大量时间进行分析调试，仍然无法找到问题的解决方案，需要EMC工程师介入分析整改，具体产品形态如下：

图2：产品形态图

二、干扰源分析定位

使用频谱分析仪，按照如下频谱分析仪使用方法进行干扰源的定位，通过分析定位后锁定干扰源来自系统EMMC电路部分，使用频谱分析仪的尖形探针进一步寻找，确定噪声源头为EMMC的时钟信号。

图3：频谱分析仪定位干扰源的方法与流程

频谱分析仪的探头使用方法，参考下图所示：

图4：频谱分析仪探头使用方法图

使用频谱分析仪对EMMC芯片外围电路进行干扰源定位，分别量测EMMC芯片供电电源引脚、其它信号引脚，其噪声频点都非常微弱，只有EMMC时钟信号引脚的噪声非常强，排除噪声通过其它引脚耦合的可能性，确定噪声源来自EMMC芯片的时钟信号引脚，耦合路径是时钟信号引脚本身。

图5：EMMC芯片供电电源引脚频谱图

图5：EMMC芯片时钟信号频谱图

三、问题原因分析

使用示波器对EMMC芯片时钟信号进行量测，确认是否为时钟信号过冲、振荡、波形失真等原因引起的。

图6：EMMC芯片时钟信号引脚波形

EMMC芯片时钟信号实测波形，没有明显的振荡、过冲、失真等，且时钟信号的边沿相对较缓，从波形上分析，没有明显的设计问题。调出PCB Layout设计，分析是否为PCB Layout设计问题。

图6：EMMC芯片PCB Layout设计（Bottom层元件面）

图7：EMMC芯片PCB Layout设计（Bottom层的参考层）

由PCB Layout可知EMMC芯片时钟信号布线不存在换层设计的情况，且相邻参考层为完整的地平面层，参考不存在跨分割、参考不完整的情况，根据信号参考设计的规则来看，PCB Layout设计不存在明显的缺陷。

根据PCB Layout设计，怀疑噪声是通过表层的PCB布线直接向外部辐射发射，造成辐射发射测试超标，尝试将表层时钟信号增加屏蔽，使用铜箔对表层EMMC时钟信号布线进行屏蔽，重新进行辐射发射测试，结果更加恶化。

图8：EMMC芯片表层时钟信号使用铜箔屏蔽

图9：EMMC芯片表层时钟信号使用铜箔屏蔽前后数据对比

EMMC芯片时钟信号布线层增加铜箔屏蔽对辐射发射测试结果没有改善，反而恶化了辐射发射测试数据，具体原因则需要分析信号是如何回流的。

根据信号回流路径设计理论可知，信号的回流存在几种情况：一是信号布线不换层、回流路径也不换层，这是最优的方案；二是信号布线换层，回流路径不换层，是次选方案；三是信号布线换层，回流路径也换层，信号换层过孔两侧增加信号回流路径的伴随过孔。目前选择的就是最优的PCB布线方案。

四、问题产生的根因分析

图10：EMMC芯片时钟信号回流路径分析

多层板设计，原则上信号的回流路径会选择相邻层完整的参考平面进行回流，而实际上多层板时钟信号两侧存在包地线时，由于边缘场效应，信号部分返回电流会沿着两侧的包地线返回（回流电流的分量大小取决于信号与邻层和伴随地线的距离），高频返回噪声电流在相邻层参考地平面与两侧伴随地线返回时，由于包地线与参考地平面之间布线寄生电感的差异，则会使两侧包地线与邻层参考地平面之间产生的电位差，电位差的大小取决于两侧伴随地线与参考地平面的寄生电感大小的差异。

图11：边沿场的概念

边沿场的定义：

当信号沿传输线传播时，信号路径与返回路径之间将产生电力线，围绕在信号路径和返回路径导体周围也有磁力线。这些场并未封闭在信号路径与返回路径之间的空间内，而会延伸到周围的空间，这些延伸出去在场称为边缘场。

五、问题解决方案

根据问题根因分析可知，要解决EMMC时钟信号两侧包地线与邻层参考地平面因高频噪声电流流过时产生的电位差，可以通过两种方式解决：

解决方案（一）：

图12：时钟信号两侧包地线增加密集过孔

EMMC芯片表层时钟信号两侧伴随线通过密集过孔连接到邻层参考地平面，使高频电流流过邻层参考地平面与流过两侧伴随地线时，两者产生的电位差可以达到忽略的程度。

解决方案（二）：

图13：时钟信号两侧不包地

删除表层时钟信号两侧伴随线，并使时钟信号与旁边其它信号之间至少保持3W设计原则，降低与旁边的串扰；使表面时钟信号参考相邻层完整的参考地平面。

六、案例总结与思考

对于多层板，其信号参考设计建议选择邻层做参考平面，为信号回流提供路径，信号两侧不再增加包地线，信号布线与两侧其它信号布线保持3W原则；如果信号两侧一定要增加包地线则需要通过密集的过孔与相邻层参考平面相连，使两侧的包地线与参考地平面之间保持最小电位差。

两层板或者单面板，信号布线选择两侧包地线作为回流路径，也要注意包地线与系统之间的电位差问题，否则可能引发严重的EMC问题。

图14：信号参考设计的原则