短途通勤移动电源 UFCS 融合快充芯片 EMC 辐射测试摸底 依据 GB 9254 标准定位融合快充协议干扰源

标准限值与测试环境适配

根据 GB 9254-2021（对应 CISPR 22 Class B），30-230MHz 频段辐射限值为 30dBμV/m，230-1000MHz 为 37dBμV/m。测试需在屏蔽室内进行，确保环境本底噪声低于限值 6dB 以上，避免外部干扰影响数据准确性。使用 R&S Spectrum Rider FPH 频谱仪搭配 HZ-15 近场探头（覆盖 3GHz）进行预兼容测试，通过迹线数学功能扣除环境噪声，定位干扰源。

UFCS 协议干扰机理分析

UFCS 协议通过 D+/D - 信号线进行多协议握手（如 QC、SCP、PDO 参数交换），其通讯特征可能引发高频辐射：

1. 波特率动态调整：协议支持自适应波特率（高可达 Mbps 级），信号边沿陡峭（上升 / 下降时间 < 5ns），易产生 30-500MHz 谐波。

2. 突发数据传输：握手阶段会周期性发送 64 字节长数据包，导致时域上的脉冲群干扰，其频谱扩展至 GHz 级。

3. 多协议共存冲突：当兼容 PDO 和 UFCS 协议时，信号时序重叠可能引发差模 / 共模噪声耦合。

干扰源定位与测试方法

1. 硬件级定位

• 近场扫描：使用磁场探头（如 HZ-15 探头 1/2）扫描芯片封装、D+/D - 走线及 USB 接口区域，重点关注：

• 芯片 GPIO 引脚的时钟谐波（如 32MHz 晶振的 3 次谐波 96MHz）。

• D+/D - 差分线的共模辐射（典型干扰频段 40-200MHz）。

• 接口连接器的缝隙泄漏（如 Type-C 端口的金属外壳谐振）。

• 信号注入验证：通过射频信号发生器向 D+/D - 线注入 100mV@100MHz 正弦波，监测辐射强度变化，确认是否存在天线效应。

2. 协议级关联

• 触发测试：在频谱仪上设置触发条件（如协议握手包起始位），抓取特定协议交互时段的频谱，对比空闲状态差异。

• 协议参数调整：

• 降低波特率（如从 1Mbps 降至 500kbps），观察高频辐射是否同步衰减。

• 延长数据包间隔时间，减少脉冲群重复频率（如从 1kHz 降至 100Hz）。

PCB 设计优化策略

1. 关键信号布线

• 差分线处理：

• D+/D - 线采用 50Ω 阻抗控制，间距≥3 倍线宽，两侧包地并每隔 5mm 打地孔。

• 在差分线两端串联 100Ω 电阻（如 0402 封装），抑制高频振铃。

• 时钟线隔离：将 32MHz 晶振远离 USB 接口，采用包地处理并缩短走线长度至 10mm 以内。

2. 电源与地平面

• 分割与耦合：

• 将数字地（DGND）与模拟地（AGND）通过 0Ω 电阻单点连接，避免地平面分割导致的共模噪声。

• 电源平面（VCC）与地平面（GND）间距≤0.1mm，利用耦合电容降低电源阻抗。

• 滤波网络：在芯片电源引脚添加 LC 滤波（10μH 电感 + 100nF 电容），抑制电源轨上的高频噪声。

3. 接口防护

• 连接器设计：

• Type-C 端口金属外壳与 PCB 地平面通过多个过孔（间距≤2mm）可靠连接。

• 在端口 D+/D - 线与地之间并联 10pF 电容（如 0603 封装），滤除高频共模信号。

• 屏蔽罩应用：对 UFCS 芯片及周边电路加装金属屏蔽罩，边缘采用导电胶密封，接地引脚间距≤5mm。

电路级整改措施

1. 协议信号滤波

• 共模扼流圈：在 D+/D - 线靠近芯片侧串联共模扼流圈（如 Coilcraft 1008 系列，阻抗 100Ω@100MHz）。

• RC 滤波网络：在差分线两端并联 100Ω 电阻与 10pF 电容的 π 型网络，截止频率 159MHz。

2. 时钟与电源处理

• 晶振优化：

• 更换为内置 PLL 的时钟芯片（如 Si5351），将基频提升至 100MHz 以减少谐波数量。

• 在晶振输出端串联 22Ω 电阻，减缓边沿速率（上升时间从 5ns 延长至 10ns）。

• 开关电源设计：

• 调整 PWM 频率至 3MHz 以上，避开敏感频段（如 30-230MHz）。

• 输出端添加 LC 滤波（4.7μH 电感 + 100μF 电容），降低纹波至 50mV 以下。

验证与迭代流程

1. 整改前后对比：

• 使用屏蔽箱进行对比测试，记录整改后 30-1000MHz 频段辐射峰值降幅（目标≥10dB）。

• 验证协议功能完整性（如 PDO 参数协商成功率、充电效率变化）。

2. 量产一致性：

• 抽取 5pcs 样品进行 EMC 测试，确保辐射值标准差≤3dB。

• 建立首件检验标准，重点检查 PCB 布线公差（如差分线间距 ±0.05mm）。