为啥低速MCU单板辐射测试会有200M-1Ghz的辐射信号

低速MCU(如8位或16位单片机)单板在辐射测试中出现 200MHz~1GHz的高频辐射信号,看似不合理,但实际上是由多种因素共同导致的。以下是详细原因分析及解决方案:

1.根本原因分析:

(1) 时钟谐波与开关噪声

低速MCU的时钟谐波: 即使MCU主频较低(如16MHz),其方波时钟信号的 高频谐波 可延伸至GHz范围。例如: - 16MHz方波的奇次谐波(3次=48MHz,5次=80MHz...)可能通过非线性器件(如MOSFET、二极管)混频,产生更高频分量(如200MHz以上)。

开关电源噪声: 板载DC-DC或LDO的开关频率(如500kHz~2MHz)及其谐波会通过电源网络耦合到其他线路,形成高频辐射。

(2) PCB布局与回流路径:不完整的地平面: 地平面裂缝或分割不当会导致高频信号回流路径绕行,形成环形天线效应。 长走线充当天线: 未匹配的I/O线、电源线或未使用的引脚浮空,可能成为高效辐射体(尤其长度接近λ/4,如1GHz对应7.5cm)。

(3) 器件非线性效应二极管/MOSFET的快速开关: 即使MCU低速,外围器件(如电机驱动MOSFET、LED驱动IC)的快速边沿(ns级)会生成高频噪声(边沿1ns → 350MHz)。

寄生振荡: 不良的退耦电容布局或电感-电容谐振(如电源网络中的LC谐振)可能激发寄生高频振荡。

(4) 电缆与接口耦合线缆共模辐射: 连接单板的线缆(如串口线、电源线)因共模电流(由地噪声引起)成为主要辐射源,尤其在200MHz~1GHz频段。

2. 典型案例:

现象:某8位MCU(主频8MHz)单板在300MHz处超标。

诊断:示波器发现电源引脚存在100MHz振铃(由LDO输出电容ESL引起)。 频谱分析仪显示振铃能量通过未滤波的UART线辐射。

3.整改方案:

(1) 抑制源头噪声时钟信号处理: 在MCU时钟线串联22Ω~100Ω电阻,减缓边沿(降低谐波)。

电源滤波: 在电源入口加π型滤波(如10μF+磁珠+0.1μF)。 为每个IC的VCC引脚放置0.1μF+1nF MLCC组合(覆盖高频段)。

(2) 优化PCB设计完整地平面:

避免地分割,关键信号(如时钟、高速I/O)下方保持连续地。 缩短关键走线: 时钟、复位线长度控制在最小,远离板边和接口。 未用引脚处理:

配置为输出低电平或输入带上拉,避免浮空。

(3) 接口与线缆滤波

共模扼流圈: 在接口线(如USB、UART)上加磁环(如Murata DLW21HN系列)。

TVS二极管: 抑制接口静电放电(ESD)引入的高频噪声。

(4) 屏蔽与接地

局部屏蔽罩:

覆盖高频噪声区域(如DC-DC电路)。

电缆接地: 线缆屏蔽层单点接至板内地平面(避免地环路)。

4. 测试与验证:

近场探头扫描:用近场探头定位辐射热点(如时钟线、电源引脚)。

频谱分析:对比滤波前后的频谱变化,确认噪声抑制效果。

5. 总结:

低速MCU单板的高频辐射问题本质是 低频信号的高频谐波和 布局缺陷导致的意外天线效应。通过源头抑制、优化布局和针对性滤波,可有效降低200MHz~1GHz辐射。

6.今天实战的总结经验:

不要忽视pF陶瓷电容的效果,拿下来之后200M--1G的辐射马上出现。

导电布需要接板子的GND,导电布是类似于双面胶之类的,粘在PFC排线上。测试时候使用导电布,量产时候也可以直接使用导电布。

用频谱分析仪定位问题源头时候,整机一上电,会有很多个频点超标。

图片来源于百度。

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