SPI Flash芯片輻射發(fā)射（RE）問題調(diào)試案例

01、問題現(xiàn)象描述

某款顯示器產(chǎn)品在10米法電波暗室進(jìn)行輻射（RE）發(fā)射測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)93MHz頻點(diǎn)余量不滿足6dB管控要求，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

圖1：輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

改變輸入信號(hào)模式、更換測(cè)試設(shè)備、更換測(cè)試線纜均不影響測(cè)試結(jié)果，基本排除測(cè)試環(huán)境的影響。移除機(jī)內(nèi)所有連接線纜，對(duì)測(cè)試結(jié)果無任何影響，排除噪聲通過線纜耦合的路徑，基本鎖定噪聲源來自驅(qū)動(dòng)電路板自身。

圖2：產(chǎn)品形態(tài)圖    

02、問題分析定位

使用頻譜分析儀近場(chǎng)探頭進(jìn)行分析定位，鎖定干擾源來自SPI Flash芯片時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波干擾。嘗試修改SPI Flash芯片時(shí)鐘信號(hào)的濾波電路參數(shù)，無明顯改善；檢查PCB Layout設(shè)計(jì)SPI Flash芯片時(shí)鐘信號(hào)參考地比較完整，兩側(cè)包地也比較完整，基本排除時(shí)鐘信號(hào)回流路徑不完整及時(shí)鐘信號(hào)串?dāng)_問題的可能性。

圖3：SPI Flash芯片PCB Layout圖

使用頻譜分析儀的尖形探頭，查找噪聲源具體位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)SPI Flash芯片供電電源引腳的噪聲干擾也非常大，量測(cè)SPI Flash芯片附件參考地時(shí)，發(fā)現(xiàn)地噪聲也非常嚴(yán)重。地平面噪聲大通常是由某顆電容的濾波回流路徑失控、信號(hào)回流路徑失控引起，通過分析基本上排除時(shí)鐘信號(hào)回流路徑的問題，基本判斷是濾波電容的路徑問題。

圖4：SPI Flash芯片供電電源引腳頻譜圖   

將SPI Flash芯片周圍濾波電容逐個(gè)拆除，量測(cè)地平面噪聲變化情況，分析過程發(fā)現(xiàn)將SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容拆除，地平面上噪聲改善非常明顯，重新進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，結(jié)果符合余量管控要求。

圖5：SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容移除后輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)

刪除SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容后，地平面上的噪聲降低非常明顯，供電電源引腳本身的噪聲卻變得更強(qiáng)，而從輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果卻改善明顯，則說明濾波電容的濾波環(huán)路較大，使地平面被污染。

03、問題原因深入分析    

圖6：SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容回流芯片地引腳存在換層

深入分析發(fā)現(xiàn)SPI Flash芯片供電電源引腳的濾波電容，其接地端未在同層回流到SPI Flash芯片地引腳，而是通過換層后回流到芯片地引腳，換層后濾波回流路徑基本上是處于失控狀態(tài)。分析其它使用相同方案不同布局方式的驅(qū)動(dòng)電路板，其輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果是符合6dB余量管控要求的，原因則是SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容接地端同層回流芯片地引腳。

圖7：SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容同層回流芯片地引腳

SPI Flash供電電源引腳濾波電容的接地端，同層回流到SPI Flash接地引腳，濾波路徑回流路徑可控且保持濾波環(huán)路面積最小化；SPI Flash供電電源引腳濾波電容的接地端，換層回流到SPI Flash接地引腳，濾波路徑回流路徑失控且濾波環(huán)路面積也不可控。

圖8：SPI Flash芯片電路設(shè)計(jì)

SPI Flash供電電源引腳本身應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)高次諧波噪聲，其噪聲應(yīng)該來自SPI Flash芯片內(nèi)部的電路串?dāng)_，將時(shí)鐘噪聲及其高次諧波耦合出來。

04、問題根因分析

通過分析試驗(yàn)驗(yàn)證，問題產(chǎn)生的根因分析如下：

 SPI Flash芯片在工作時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)基頻及高次諧波干擾通過SPI Flash芯片電路耦合到SPI Flash芯片的電源引腳。而電源引腳濾波電容將噪聲濾除時(shí)回流到源端的路徑設(shè)計(jì)失控，導(dǎo)致參考地平面噪聲較大，形成天線效應(yīng)進(jìn)行空間輻射。SPI Flash芯片內(nèi)部電路串?dāng)_大小取決于芯片的電路設(shè)計(jì)，其芯片的封裝設(shè)計(jì)，通過濾波電容進(jìn)行濾除可以有效降低電源引腳的高頻噪聲，濾波回流路徑需要有效控制。

05、問題解決方案    

通過分析驗(yàn)證，擬定問題的解決方案如下：

問題解決方案（一）：

SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容接地端，同層回流到SPI Flash芯片接地引腳，縮小SPI Flash芯片電源引腳濾波環(huán)路面積，降低地平面噪聲。

圖9：SPI Flash芯片供電電源引腳濾波電容接地點(diǎn)修改

圖10：修改SPI Flash濾波電容接地后的輻射測(cè)試數(shù)據(jù)。

問題解決方案（二）

修改SPI Flash芯片供電電源引腳濾波參數(shù)：RF4位置由0ohm電阻改為300ohm磁珠，CF4電容由0.1uF改為1000pF，降低高頻噪聲耦合到參考地的能量，通過串聯(lián)磁珠衰減。

   圖11：SPI Flash芯片供電電源濾波參數(shù)修改

以上兩種方案均可以滿足輻射發(fā)射（RE）測(cè)試6dB余量要求時(shí)，考慮到SPI Flash的電源引腳濾波電容參數(shù)修改、磁珠修改會(huì)影響其電源紋波，降低其使用壽命，結(jié)合成本等綜合評(píng)估使用方案（一）。

06、案例思考與啟示

芯片內(nèi)部電路串?dāng)_引起的輻射發(fā)射問題越來越多，耦合路徑也越來越復(fù)雜。時(shí)鐘信號(hào)回流路徑最小化、開關(guān)電源環(huán)路面積最小化的問題很容易引起工程師的重視，而電源引腳的濾波環(huán)路面積最小化卻很容易被工程師們忽略，引起非常隱蔽的EMC問題。這個(gè)案例給我們大家的啟示是濾波電容的濾波環(huán)路面積最小化應(yīng)引起足夠重視。