SMT工厂之云边服务器电磁兼容设计

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　　摘  要： 边缘计算由于其低延时和位置感知、适应移动以及分布式特点将在工业互联网时代应运而生。作为边缘计算的关键设备，云边服务器需要适應工业生产中的各种恶劣环境，从而对其性能指标有着严格的要求，特别是在电磁兼容设计方面。从电磁兼容性（EMC）的角度，以云边服务器VGA接口电磁兼容性设计为例，从电路设计、PCB布线以及机构设计等多角度来分析硬件工程师和机构工程师容易忽略的问题，从而减小电磁干扰（EMI），确保工业互联网场景，特别是SMT工厂中的云边服务器的电磁兼容性，以满足系统稳定度和鲁棒性。
　　关键词： 云边服务器; 电磁兼容性设计; SMT工厂; VGA接口设计; 极化测试; 测试验证
　　Abstract： The edge computing is emerging in the industrial Internet era due to its low latency， location awareness， adaptive movement and distributed characteristics. As the key device of the edge computing， the cloud edge server needs to adapt to various severe environments in the industrial production， so that strict requirements are defined on its performance indicators， especially for its electromagnetic compatibility （EMC） design. The EMC design of VGA interface on the cloud edge server is taken as an example to analyze the problems that are easy to be ignored by hardware engineers and mechanism engineers in the several aspects such as circuit design， PCB wiring and mechanism design， so as to reduce electromagnetic interference （EMI） and ensure the industrial Internet scene， especially for the EMC of cloud edge server in SMT factory， to meet the system stability and robustness.
　　Keywords： cloud edge server; electromagnetic compatibility; SMT factory; VGA interface design; polarization testing; test verification
　　0  引  言
　　随着工业互联网时代的到来以及物联网的快速发展，互联网的应用场景快速往人与物、物与物之间进行拓展，海量的结构化、非结构化数据呈现爆炸式增长，这些数据涵盖了人们生活、生产的各个场景。以SMT工厂为例，每个SMT工厂都由数条SMT生产线组成，每条SMT生产线由各种功能不同的精密SMT设备组成，包括印刷机、SPI、高速机、泛印机、炉前AOI、高温炉、炉后AOI等。每个SMT设备都会产生大量的异构数据，因此需要通过工业互联网的手段来实现SMT工厂中的数据实时收集、处理与分析，并根据处理后的数据对SMT工厂进行自动化指导。但是，采用传统“云?端”计算结构时，由于网络时延等问题，其实时性不能得到保证。于是“云?边?端”的计算模式开始兴起，如图1所示[1]。
　　相较于传统的“云?端”的计算方式，边缘计算所采用的架构更呈分布式，更接近网络边缘，其数据存储和处理更依赖本地设备[2?3]。边缘计算可以细分为端边计算和云边计算。端边计算主要是各类IoT，其特征主要是异构化、计算能力有限化、小型化以及专用化[4]。而云边计算则更加接近云端，其主要特征是核心云的延伸，可以无缝兼容云平台软件和系统，同时具有较强的计算能力和本地化能力。
　　由于边缘计算设备更靠近本地，因此就需要具备高可靠性[5?6]，确保数据完整，同时也需要确保机器能够在各种复杂的环境中正常工作，特别是在电磁兼容EMC方面。因此，根据SMT工厂的具体需求，本文设计一款云边服务器来实现SMT工厂工业互联的解决方案，如图2所示。
　　1  服务器的EMC设计
　　服务器的EMC设计[7]主要分为两个层级，即PCB层级和系统层级，如图3所示。
　　1.1  PCB层级的电磁兼容性设计[8]
　　从PCB层级来看，首先要确认PCB的结构。本服务器主板采用标准Micro ATX（240 mm×240 mm），从而降低EMC可控难度。其次，对信号进行分类，确定哪些是电磁敏感信号，哪些是非敏感信号[9]。在服务器设计中，高速总线信号包括PCIE，DDR4，USB 3.0等，开关电源信号、时钟信号、外围接口信号需要优先考虑和设计。以开关电源为例，其关键元件包括VRM、高速MOSFET、电感以及电源过孔等，对于此类信号，需要确保元件附近100 mil以内或者元件下面的层，不得走高速信号，不得在50 mil以内走低速时钟信号，30 mil以内不得走GPIO信号。
　　确定了以上关键信号，则需要确定PCB层数、层间距、信号布局等。本设计采用6层PCB设计。其堆叠层次如图4所示，其中第三层和第四层之间的介质厚度为第三层的3H。 　　定义好堆叠结构，确认参考面的直流电源的种类，并进行高速信号的走线。尽量让高速信号靠近其参考层面，并减少高速信号的换层。同时电源分割时需要使用缝合电容，确保返回电流路径最短[10]。
　　VGA接口通常是服务器EMC设计时最容易忽略的一个关键部件，也是最容易造成电磁辐射的一个部件。本设计的VGA接口由BMC AST2400驱动，其分辨率可达1 920×1 200@60 Hz，能够满足设计需求。
　　BMC内部集成大量的功能模块，同时集成了很多高速数字总线和模拟总线。因此对于VGA信号，需要把参考平面分成两部分，即靠近BMC的部分采用数字地，数字地为PCB的参考平面地，和靠近VGA接口部分采用模拟地，模拟地通过VGA连接器和机壳相连。数字地和模拟地在PCB上隔开，在线路上通过零欧姆电阻连接，避免数字地上的噪声传导到VGA连接器辐射出去;同时也确保了机壳和PCA主板的参考平面保持同一个电压位，消除压降。
　　基于EMI/EMC的考虑，在BMC的VGA接口到VGA连接器之间需要有滤波处理。本设计中的VGA滤波线路采用π型滤波电路，如图5所示[11?12]。PCA內部产生的高频噪声电流会通过电容C1回到源头，而外部耐受信号则会通过电容C2返回到机壳，不会进入PCA内部。
　　VGA部分线路设计图如图6所示。其中150 Ω为线路匹配电阻，采用磁珠替代电感，与两端的6.8 pF电容形成滤波电路。同时磁珠前后两端的地分开，采用0 Ω连接，确保高频信号噪声不会辐射出去，同时外部I/O噪声也不会进入机箱内部。VGA布局布线如图7所示。
　　1.2  系统层级的电磁兼容性设计
　　系统层次的设计主要是机构方面的设计，主要涉及到两个领域的屏蔽设计。
　　1） 线缆屏蔽[13]。线缆屏蔽主要涉及四部分：屏蔽网格密度与类型、线缆阻抗匹配与控制、线缆长度以及位置、需要注意避免高频区域。本设计线缆较少，主要为MiniSAS线缆，可以采用标准SAS线缆，阻抗90 Ω，来实现匹配，减少损耗。
　　2） 机壳屏蔽[14]。机壳屏蔽主要涉及四部分：I/O口、螺丝孔、PCI?E插槽、托盘。主板的螺丝孔和主板的地层相连，确保主板和机壳的地平面保持同一水平。I/O口连接器采用弹片或者弹点与机壳连接。预留弹片封住时机壳接口以防PCI?E插槽不插第三方卡。在保证散热的前提下，尽量保持在机壳的任何方向上的尺寸不大于5 mm的开孔。同时确保机壳的各个部件的铆合紧密。
　　2  测试验证
　　针对本服务器，国际电工委员会（IEC）所出版的CISPR?22标准将作为测试的参考标准。CISPR?22标准是信息技术设备的发射标准，按照产品种类分为CLASS A和CLASS B两类。相较而言，CLASS B的要求要比CLASS A严格，如表1所示[15]。本次测试验证主要参考CLASS B，并且主要讨论10 m测试距离的结果。
　　按照测试配置要求和流程，对该产品进行辐射发射（RE）测试。辐射发射测试是测试被测物体通过空间传播的辐射干扰场强，实质上就是测试产品中两种等效天线（信号环路和单级天线）所产生的辐射信号。通过测试发现，辐射发射在多个频率点处超过容限值，无法通过。特别是在300 MHz以下的部分，辐射严重，如图8所示。
　　重新从PCB和系统层级审视EMC设计，从PCB层级来看，当前版本的VGA连接器不带EMI屏蔽设计，如图9a）所示。这样在PCA的参考平面和机壳之间产生压降，同时也容易形成大的环路，从而导致电磁场辐射。
　　从系统级来看，服务器机构存在两大问题：
　　1） 散热孔超出规格;
　　2） 机壳接缝处搭接不良。
　　孔径超过5 mm的机壳如图10a）所示。
　　基于此，针对系统级的EMC进行方案修正，采用铝箔纸封住部分散热孔，同时确保机壳之间接触良好，如图10b）所示，重新进行测试。结果如图11所示，可以看出整个EMC性能大大提高，但依旧还有4个频率点没过。原因可能在于铝箔纸留的空隙依旧很大，如果能够缩小到5 mm，效果会更好。
　　同时，对PCA进行修改，采用带EMI屏蔽的VGA连接器，如图9b）所示，结合修改后的机壳，通过螺丝加强与机壳之间的接触，再次打板和进行新的机构制造，组装后重新进行辐射干扰测试，如图12所示。从图12中可以看到，测试结果通过。
　　3  结  语
　　对于云边服务器来说，电磁辐射不仅仅在VGA部分，而是处处都存在。本文以VGA部分为例来阐述在SMT工厂等各种生产环境中存储型云边服务器的电磁兼容性设计所需要考虑的各个方面。从中可以看出，在EMI/EMC设计中，不仅需要硬件工程师的努力，同时也需要机构工程师、PCB布线工程师的共同配合，紧密合作，才能确保系统的稳定性，提高开发效率和质量，并大大缩短产品开发时间和成本。
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