便攜式產(chǎn)品電磁干擾濾波解決方案

2016-12-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

電子產(chǎn)品越來越輕薄短小,電子零件的集積度也就越來越高,而電源、接地噪聲(Noise)與信號(Signal)及其彼此間的耦合(Coupling)現(xiàn)象,也變成了電子產(chǎn)品在設(shè)計時,主要而必須克服的關(guān)鍵因素。而這些無論是來自于系統(tǒng)外部,或是來自于系統(tǒng)本身的噪聲或信號,對信號間的輻射(Radiation)或傳導(dǎo)(Conduction)干擾問題,若在30MHz到1GHz的頻率范圍,就是所謂的電磁干擾(EMI, Electromagnetic Interference)問題;當(dāng)影響到了更高頻的無線傳播頻率區(qū)段(RF, Radio Frequency)時,則又稱為無線頻段干擾(RFI, Radio Frequency Interference)的問題。而在便攜式產(chǎn)品中,RFI的問題更嚴(yán)重影響到了產(chǎn)品的通信質(zhì)量。

要解決這些煩人的電磁干擾問題,首先從大的方向來分類,可分為信號完整性(SI, Signal Integrity)的問題,以及電源完整性(PI, Power Integrity)的問題。在實務(wù)的測量解析上,會使用到近場(Near Field)測量的除錯模式(Debug Mode),及遠(yuǎn)場(Far Field)測量的驗證模式。如果對于產(chǎn)品的組件特性及邊界條件掌握度夠高,也可以用仿真軟件(如ANSYS、Keysight、CST...等公司所提供的電磁模擬工具)來做模擬驗證與預(yù)測。若要對產(chǎn)品中各組件在各種運作下的特性進(jìn)一步了解,還會使用時頻(Time-Frequency)的數(shù)值分析方法(如FFT, HHT, enhance-Morlet Transfer...等)。在產(chǎn)品的設(shè)計實務(wù)上,要解決這些問題的手法,不外乎必需使用到濾波(Filter)、移頻(Moving Resonant Frequency)、展頻(SSC, Spread Spectrum Clock)...等手法。展頻的手法,在現(xiàn)今的科技多已做入了集成電路(IC, Integrated Circuit)中,大多與頻率相關(guān)的集成電路都會有展頻的設(shè)計,主要用在解決信號在線的主頻能量太強之問題。移頻則是一種較籠統(tǒng)的解決方案之說法,主要目的是把有問題的頻率極點位置,移開出目前所在意的頻段范圍。但是如何找到問題率頻點,大多只能仰賴仿真工具來找出頻率響應(yīng)(Resonant)點,才能再想對策(如加濾波組件或改變線寬、線長或方向)來重新布局。但是,由前面所提及的解析注意要項中可知,如果對組件特性及邊界條件不夠完整的情形下,非常容易變成了GIGO(Garbage In Garbage Out)的結(jié)果。而使用濾波器則是最為直觀且直接的解決手法,當(dāng)然其中也蘊含有移頻的意味存在,然而各種濾波器卻有各自的使用方法及限制。

在解決EMI/RFI問題時,最常使用到的濾波器如圖一所示,都是屬于低通濾波裝置。

其中π型濾波器(π-Model Filter)是最有效率而簡單的濾波裝置,一般常用的整合性產(chǎn)品又分為CLC及CRC兩種類型,如圖二所示。CLC濾波裝置可以選擇對主頻率衰減影響最小為考慮,其最主要是用在當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的信號在做傳遞時,當(dāng)只需要對其高頻的倍頻諧波(Homonic)做濾波處理時,能使主頻能量盡量保持原大小,而將高頻信號濾除。而CRC類型的濾波器,則主要會使用在系統(tǒng)的接口端,可以具有能選擇較佳阻抗匹配(Impedance Match)的特性,有效降低因為阻抗不匹配所造成的二次干擾問題。無論那種濾波裝置,要考慮濾掉的頻率能量是多或是少,還必需考慮信號的傾斜(Skew)及抖動(Jitter)問題來做決定,因此不一定是把所有的高頻信號濾掉越多才會越好,有許多時候適當(dāng)?shù)谋Ａ?倍頻及5倍頻甚至7倍頻信號能量,會使得眼圖(Eye Diagram)更佳。

然而,在差動信號(Differential Signal)的處理上,正端與負(fù)端的信號必需相位差180度的完整信號才能得到最佳的眼圖。而來自電源及地端的偶數(shù)倍頻諧波或是共模噪聲(Common-Mode Noise)都會造成差動信號的失真,參考圖三中左側(cè)的信號。要解決這個問題,主要就是使用共模型式的濾波抑制器(Common-Mode Choke),利用小信號在電感信號抑制器中,共模信號會被抵消的方式,來過濾掉共模噪聲,如圖三說明所示。

然而使用圖三中的共模濾波(Common-Mode Filter)裝置,由于差模信號上相當(dāng)于也會看到了L型(L-Model)濾波效應(yīng),因此使用這種濾波器件必需同時看差模與共模的濾波頻段,兩者的濾波效果是不同的。到此可以發(fā)現(xiàn),以上兩類型的濾波裝置都是用來解決信號上的噪聲問題。而且,有許多機會是用在產(chǎn)品的接口端,那么靜電放電的問題在此也不容被忽視。因此,晶焱科技整合了其系統(tǒng)級的靜電防護技術(shù)與這些信號濾波產(chǎn)品做了一個完美的結(jié)合,如圖二及圖三中含有TVS(Transient Voltage Suppressor)的濾波裝置,就是用來同時有效解決靜電及濾波的問題的產(chǎn)品。另外,在使用這些濾波器件時,所需注意的不再是電容的大小,而必須在意信號的傳輸損耗(Insertion Loss)以及反射損耗(Return Loss),在S參數(shù)中的這些信息才代表有多少能量的信號可以傳遞或反射,藉此信息選擇適合的主要頻點及要濾波的強度。

在電源及接地部份,系統(tǒng)的印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)中的小信號返回路徑(Return Path),為EMI輻射的最主要磁耦極天線(Magnetic Diople Antenna)路徑。良好的多層板接地面設(shè)計雖然可以降低返回路徑的面積,但是如果僅使用不具有減震效果的電容器,再加上在系統(tǒng)內(nèi)未能設(shè)計出良好真實的接地點位置,這樣反而會將電源噪聲帶到了整個接地面,而造成了寬帶(Broad Band)噪聲。但是,如果使用RC減震器(Snubber),那么就必須要調(diào)整RC值到能過濾的頻段,這又是另外一項艱難的任務(wù)。另一方面,由于主芯片(Main Function Chip)的內(nèi)部電路設(shè)計又會有倍頻、除頻等需求的設(shè)計存在。因此,許多的各種奇、偶倍頻小信號能量,就變成了噪聲而載波在電源上。再經(jīng)由系統(tǒng)上的電源及接地設(shè)計,而輻射或傳導(dǎo)到PCB的各個位置。而在這些繁多集成電路的復(fù)雜運作下,又造成這些噪聲能量,在主芯片電源接點附近之電壓、電流單頻信號不再是90度(可用電容或電感降噪)或0度(電阻特性)的相位差。但是單純的電容或電感的使用下,電壓或電流小信號僅能做90度的相位加減。但是,當(dāng)電壓電流相位差不再是90度或0度時,那么使用電容或電感,有時反而使得一些單頻噪聲更加強,如圖四所示是個復(fù)雜的迭加(Superposition)效應(yīng)。

此外,電容的使用也必須注意它有一定的使用頻段范圍,在超過它的頻率返折點后,它就變成電感了,如圖五所示。而在頻率返折點附近,也會有極點(Pole)問題存在。

晶焱科技為解決以上之問題,利用分支電流的特性,設(shè)計出具有能在寬帶帶范圍中,同時偵測電壓、電流小信號,并能調(diào)變其間的相位差,而做出濾波減震芯片。除具有電源濾波效果外,也可以減低噪聲傳導(dǎo)到地的能量。并將其設(shè)計成電容之大小型式,以方便工程師在產(chǎn)品開發(fā)最后階段的驗證時,能夠有除了電容以外的最佳而方便的選擇,以追求產(chǎn)品量產(chǎn)的時效性(Time To Market)。在便攜式產(chǎn)品中的RFI問題,就如同在處理電源噪聲問題一般。有些狀況是:RF信號原是用來接收使用,但它們一樣會耦合到了電源端,而造成部份其它的功能性芯片的失常;另一些情形是:一些功能性芯片(例如攝像頭...等)的倍頻信號或電源噪聲,耦合到Base Band或RFIC的電源、信號或天線中,而造成這些芯片的功能暫時失效或錯誤。

欲解決便攜式產(chǎn)品的電磁干擾問題,首先第一步須對PI的問題做初步的解析。對于電源及接地的布局,最好能針對各電源抽出各層次來與接地層做重迭審視,對于一些返回路徑確認(rèn)是否己下了對的解決方案。另外,對產(chǎn)品中電源及接地布局,最好能使用模擬工具確認(rèn)其阻抗特性(Z-Frequency Characteristics)之極點位置,要能盡量避開敏感的頻段位置。其次必須確認(rèn)產(chǎn)品信號上的SI問題(如Impedance Match, Interconnection Bandwidth, Insertion Loss, Return Loss, Cross Talk, Propagation Delay...等)是否都已調(diào)校好,藉由測量工具確認(rèn)問題點,選擇合適的信號濾波裝置。在處理SI問題時,若有再發(fā)現(xiàn)一些偶數(shù)倍頻的問題時,再回頭確認(rèn)一下是共模問題或是電源及接地部份的問題,檢驗其來源,加上對的濾波對策。能夠?qū)Ξa(chǎn)品的SI及PI做了完善的布局解析,并對各式濾波裝置的應(yīng)用特性有充份的了解,選擇對的濾波器件,這樣對于解決電磁干擾問題就能事半功倍。

作者:陳東旸博士,設(shè)計研發(fā)部,晶焱科技

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才