【解決方案】減少便攜式電子器件電磁干擾解決方案

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

電子器件廣泛的應(yīng)用于我們的生活中。產(chǎn)品也隨之越來越小。電子零件的集積度也越來越高。電源、接地噪聲與訊號(hào)及彼此之間的是耦合現(xiàn)象,會(huì)給電子之間產(chǎn)生磁電干擾。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候。必須要克服的是關(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)本身的噪聲或訊號(hào),對(duì)訊號(hào)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(shí),則又稱為無線頻段干擾(RFI, Radio Frequency Interference)的問題。而在可攜式產(chǎn)品中,RFI的問題更嚴(yán)重影響到了產(chǎn)品的通訊質(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,可分為訊號(hào)完整性(SI, Signal Integrity)的問題,以及電源完整性(PI, Power Integrity)的問題。在實(shí)務(wù)的量測(cè)解析上,會(huì)使用到近場(chǎng)(Near Field)量測(cè)的除錯(cuò)模式(Debug Mode),及遠(yuǎn)場(chǎng)(Far Field)量測(cè)的驗(yàn)證模式。如果對(duì)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(yàn)證與預(yù)測(cè)。若要對(duì)產(chǎn)品中各組件在各種運(yùn)作下的特性進(jìn)一步了解,還會(huì)使用時(shí)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(jì)實(shí)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(huì)有展頻的設(shè)計(jì),主要用在解決訊號(hào)在線的主頻能量太強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn),大多只能仰賴仿真工具來找出頻率響應(yīng)(Resonant)點(diǎn),才能再想對(duì)策(如加濾波組件或改變線寬、線長(zhǎng)或方向)來重新布局。但是,由前面所提及的解析注意要項(xiàng)中可知,如果對(duì)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(yùn)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(shí),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(jiǎn)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(duì)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)部的訊號(hào)在做傳遞時(shí),當(dāng)只需要對(duì)其高頻的倍頻諧波(HomoNIc)做濾波處理時(shí),能使主頻能量盡量保持原大小,而將高頻訊號(hào)濾除。而CRC類型的濾波器,則主要會(huì)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?yàn)樽杩共黄ヅ渌斐傻亩胃蓴_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,還必需考慮訊號(hào)的傾斜 (Skew)及抖動(dòng)(Jitter)問題來做決定,因此不一定是把所有的高頻訊號(hào)濾掉越多才會(huì)越好,有許多時(shí)候適當(dāng)?shù)谋Ａ?倍頻及5倍頻甚至7倍頻訊號(hào)能量,會(huì)使得眼圖(Eye Diagram)更佳。然而,在差動(dòng)訊號(hào)(Differential Signal)的處理上,正端與負(fù)端的訊號(hào)必需相位差180度的完整訊號(hào)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(huì)造成差動(dòng)訊號(hào)的失真,參考圖三中左側(cè)的訊號(hào)。

要解決這個(gè)問題,主要就是使用共模型式的濾波抑制器(Common-Mode Choke),利用小訊號(hào)在電感訊號(hào)抑制器中,共模訊號(hào)會(huì)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,由于差模訊號(hào)上相當(dāng)于也會(huì)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(shí)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訊號(hào)上的噪聲問題。而且,有許多機(jī)會(huì)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(jí)的靜電防護(hù)技術(shù)與這些訊號(hào)濾波產(chǎn)品做了一個(gè)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(shí)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(shí),所需注意的不再是電容的大小,而必須在意訊號(hào)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訊號(hào)可以傳遞或反射,藉此信息選擇適合的主要頻點(diǎn)及要濾波的強(qiáng)度。

在電源及接地部份,系統(tǒng)的印刷電路板(PCB, Printed Circuit Board)中的小訊號(hào)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(jì)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(jì)出良好真實(shí) 的接地點(diǎn)位置,這樣反而會(huì)將電源噪聲帶到了整個(gè)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(xiàng)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(jì)又會(huì)有倍頻、除頻等需求的設(shè)計(jì)存在。因此,許多的各種奇、偶倍頻小訊號(hào)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(jì),而輻射或傳導(dǎo)到PCB的各個(gè)位置。而在這些繁多集成電路的復(fù)雜運(yùn)作下,又造成這些噪聲能量,在主芯片電源接點(diǎn)附近之電壓、電流單頻訊號(hào)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,電壓或電流小訊號(hào)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(shí),那么使用電容或電感,有時(shí)反而使得一些單頻噪聲更加強(qiáng),如圖四所示是個(gè)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(diǎn)后,它就變成電感了,如圖五所示。而在頻率返折點(diǎn)附近,也會(huì)有極點(diǎn)(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(jì)出具有能在寬帶帶范圍中,同時(shí)偵測(cè)電壓、電流小訊號(hào),并能調(diào)變其間的相位差,而做出濾波減震芯片。

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