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指纹识别仪辐射骚扰问题分析与整改案例.pdf
1. 问题描述
客户一款高科技指纹识别仪（主要使用在美国联邦调查局、机场、进出口海
关等关系到国家安全的重要指纹采集场所）设计为 4 层板，在做 CE 认证时，按
照 EN55022 法规，10m 辐射骚扰 Fail，且水平和垂直测试结果均较差，最大点超
标 20dB 左右，测试数据如图 1、2 所示，因为此种频点测试数据的 QP 和 PK 值
相差不大，故未读 QP 值。
图 1 原始水平极化
图 2 原始垂直极化
2. 原因分析
从图 1、图 2 结果可以看出，各个超标窄带频点之间间隔为 20MHz 和 40 MHz
及其整数倍，因此推断 EUT 本身有 20MHz 或者 40MHz 的 CLK 信号，所以诊断
应该围绕着振荡器，以及芯片 CLK 走线进行。
另外图 1、图 2 宽带包络 Base 较高，已经接近或达到测试限值，所以应该围
绕 PCB 的电源以及整机的 GND 进行处理。
可能原因分析如下：
1．查看原理图，发现该产品有 4 颗晶体振荡器，且分别为：Y1，32768MHz；
Y2，14.7456MHz；Y3，24MHz；Y4（原理图 D9），40MHz。
图 3 单板晶体振荡器
Y4 为 40 MHz 有源晶振，和我们前面分析的一致，查看 PCB，发现 40 MHz
有源晶振为 CMOS 感光芯片提供时钟驱动，Y4 与 CMOS 芯片不在同一层。基本
可以判定，辐射超标肯定与该芯片及其外围电路有关，需要详细分析该芯片的外
围电路以及信号布线加以确认。
图 4 CMOS 芯片及其外围电路
2．观察 CMOS 芯片的外围电路，发现有数条数据线与主芯片相连，如图 5
所示，源端匹配电阻为 33 欧与 100 欧不等。根据时间常数与信号上升沿的关系，
可以对匹配电阻的大小进行调整，从而改善高频辐射状况。
图 5 数据线源端匹配
3．查看样机与 PC 的 USB 互连线 (PC 端为标准接口，EUT 端为方形 USB
接口)，发现该段互连线长度约为 2m，且线缆带有屏蔽层，但无 Core。根据经验，
屏蔽双 Core 线缆具有良好的 EMI 效果。
4．查看样机 USB 信号输出端口 PCB，发现有预留 Common Mode Choke 位
置，但此时焊接的却是两颗 0 欧姆电阻，需要更换为 Common Mode Choke，理论
上 90 欧姆的 Common Mode Choke 是 USB2.0 的标准配置，但是在实践当中，发
现调整到 120 欧姆后，对性能影响不大，部分主板厂商对 USB 端口已经量产使用
该元件参数。
USB 接口原理图如图 6 所示：
图 6 USB 接口原理图
前期分析只是凭借经验进行一些必要的分析，或许分析结果与真实状况大相
径庭，但是整改工作本身就是一项分析、验证、再分析、再验证的过程，因而前
期对频率、GND、接口的分析是非常有必要的。
3. 整改措施
根据前面分析，采取如下对策加以整改：
1．40M 有源晶振的串接电阻由 10 欧更换为 33 欧；
2．HR14 排阻由 33 欧更换为 51 欧；
3．HR11、HR1 和 HR13 更换为同封装排珠，阻抗 60 欧；
4．有源晶振的 VCC 并联 10nF 滤波电容；
5．USB 输出信号线 90R Choke 更换为 120R Choke；
6．24M 无源晶体外壳接地；
7．USB 线材更换为较好的线材；
8．EUT 内一条排线（该排线跨在 PCB 上方）套一小磁环。
根据以上对策，测试结果如图 7、8 所示：
图 7 整改后水平极化
图 8 整改后垂直极化
从图 7、8 可以看出，整改之后，测试结果已经有了较大改善。之后继续整改，
加了很多对策进行验证，但是效果微乎其微，无法有效对测试结果进行改善。其
中一个对策是对 CMOS 芯片的引脚进行屏蔽，取得一定效果，测试数据窄带噪声
下降了 4dB 左右，但是考虑到生产等因素，此措施无法实施。
图 9 芯片管脚屏蔽
最后因整改对策无法通过 EN55022 辐射骚扰限值，所以建议客户对 PCB 进
行改板。主要要求客户优化 PCB 布局、优先处理重要信号线、改善主芯片的供电
回路、加增大芯片附近 GND 等。特别要求客户改板时注意如图 10 的几部分电路
及其布线：
图 10 改板时需要关注的电路
PCB 改板建议：
Y1、Y2、Y3 振荡器尽量放置在与芯片同一布线层，且与芯片就近连接；
Y1、Y2、Y3 振荡器下面切勿走线，并且振荡器下面和附近尽量覆铜；
Y1、Y2、Y3 切勿放置在 PCB 边缘，距离 PCB 边缘最短距离要在 5mm
以上；
40M 振荡器周围元件适当远离，且振荡器下面覆铜；
PCB 顶层和底层空闲区域可以适当覆铜；
HR11、12、13 更换为 CM4-3216MAIN-181T；
L50 更换为 WCM-2012-221T；
HR14 更换为 51 欧；
芯片切勿距离 PCB 边缘过近；
金属外壳振荡器需预留接地位置；
对摄像头芯片可采取部分屏蔽措施，如无法操作可将附近固定螺丝孔与
机构良好搭接，利用机构接地；
机构内部屏蔽 USB 线材，尽量屏蔽到线材的根部，避免裸露过长。
其它建议：
去耦电容靠近 IC 引脚；
PCB 上固定螺丝孔需良好接地；
PCB 板边（包括通孔 Via 边界）与其它布线之间的距离应大于 0.3mm；
高速信号与其它布线之间的距离保持在 0.2mm～0.3mm；
重要的线如 Reset、Clock 等与其它布线之间的距离应大于 0.3mm；
大功率的线与其它布线之间的距离保持在 0.2mm～0.3mm；
不同层的 GND 之间应有尽可能多的通孔（VIA）相连；
覆铜应尽量避免尖角，有尖角应尽量使其平滑。
历经 2 个月的时间，终于拿到了改板后的 PCB 以及样机（客户改板时，增
加了部分功能，讨论用了很长时间），测试之后发现数据有较好的改进，如图 11、
12 所示：
图 11 改板后水平极化
图 12 改板后垂直极化
从图 11、12 可以看出，改板后测试数据在限值附近，但是裕量较低，对样机
内的排线进行梳理，发现产品内部的 USB 延长转接线的走线方式对测试结果有一
定影响，改变该线材的走线方向，对部分频率有一定效果，但是裕量仍然不足。
该产品的内部机构采用五金，外部采用塑胶外壳，五金机构表层均镀了绝缘漆，
金属机构的搭接位置，采用螺丝组装，阻抗很高，使用刀片刮开绝缘漆且缝隙加
导电泡棉，加强机构间的接触，使五金机构各个位置间搭接良好，整改之后测试
可以通过，测试结果如图 13、14 所示。
图 13 改板后水平极化（整改后）
图 14 改板后垂直极化（整改后）
4. 思考与启示
测试数据可以告诉我们很多信息，观察测试数据后进行仔细分析，Fail 的频
点是如何造成的，有哪些方面和这些超标频点有关联，需要一一罗列出来。
