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電路設(shè)計(jì)及EMC器件選擇

發(fā)布時(shí)間:2011-10-08

中心議題:

  • 數(shù)字器件的選擇與EMC電路設(shè)計(jì)
  • 模擬器件的選擇和EMC電路設(shè)計(jì)


在新設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的開(kāi)始,正確選擇有源與無(wú)源器件及完善的電路設(shè)計(jì)技術(shù),將有利于以最低的成本獲得EMC認(rèn)證,減少產(chǎn)品因屏蔽和濾波所帶來(lái)的額外的成本、體積和重量。 這些技術(shù)也可以提高數(shù)字信號(hào)的完整性及模擬信號(hào)信噪比,可以減少重復(fù)使用硬件及軟件至少一次,這也將有助于新產(chǎn)品達(dá)到其功能技術(shù)要求,盡早投入市場(chǎng)。

1數(shù)字器件與EMC電路設(shè)計(jì)

1.1器件的選擇
大部分?jǐn)?shù)字IC生產(chǎn)商都至少能生產(chǎn)某一系列輻射較低的器件,同時(shí)也能生產(chǎn)幾種抗ESD的I/O芯片,有些廠商供應(yīng)EMC性能良好的VLSI(有些EMC微處理器比普通產(chǎn)品的輻射低40dB);大多數(shù)數(shù)字電路采用方波信號(hào)同步,這將產(chǎn)生高次諧波分量,如圖1示。時(shí)鐘速率越高,邊沿越陡,頻率和諧波的發(fā)射能力也越高。 因此,在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的前提下,盡量選擇低速時(shí)鐘。在HC能用時(shí)絕不要使用AC,CMOS4000能行就不要用HC。要選擇集成度高并有EMC特性的集成電路,比如:

  • 電源及地的引腳較近
  • 多個(gè)電源及地線引腳
  • 輸出電壓波動(dòng)性小
  • 可控開(kāi)關(guān)速率
  • 與傳輸線匹配的I/O電路
  • 差動(dòng)信號(hào)傳輸
  • 地線反射較低
  • 對(duì)ESD及其他干擾現(xiàn)象的抗擾性
  • 輸入電容小
  • 輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)能力不超過(guò)實(shí)際應(yīng)用的要求
  • 電源瞬態(tài)電流低(有時(shí)也稱穿透電流)

這些參數(shù)的最大、最小值應(yīng)由其生產(chǎn)商一一指明。由不同廠家生產(chǎn)的具有相同型號(hào)及指標(biāo)的器件可能有顯著不同的EMC特性,這一點(diǎn)對(duì)于確保陸續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品具有穩(wěn)定的電磁兼容符合性是很重要的。

高技術(shù)集成電路的生產(chǎn)商可以提供詳盡的EMC設(shè)計(jì)說(shuō)明,比如Intel的奔騰MMX芯片就是這樣。設(shè)計(jì)人員要了解這些并嚴(yán)格按要求去做。詳盡的EMC設(shè)計(jì)建議表明:生產(chǎn)商關(guān)心的是用戶的真正需求,這在選擇器件時(shí)是必須考慮的因素。在早期設(shè)計(jì)階段,如果IC的EMC特性不清楚,可以通過(guò)一簡(jiǎn)單功能電路(至少時(shí)鐘電路要工作)進(jìn)行各種EMC測(cè)試,同時(shí)要盡量在高速數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)完成操作。發(fā)射測(cè)試可方便地在一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行,將近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭連接到頻譜分析儀(或?qū)拵静ㄆ鳎┥?,有些器件明顯地比其他一些器件噪聲小得多,測(cè)試抗擾度時(shí)可采用同樣的探頭,并連到信號(hào)發(fā)生器的輸出端(連續(xù)射頻或瞬態(tài))。但如果探頭是儀器專配的(不只是簡(jiǎn)單的短路環(huán)或?qū)Ь€),首先要檢查其功率承受能力是否滿足要求。測(cè)試時(shí)近場(chǎng)探頭需貼近器件或PCB板,為了定位“關(guān)鍵探測(cè)點(diǎn)”和最大化探頭方向 , 應(yīng)首先在整個(gè)區(qū)域進(jìn)行水平及垂直掃描(使探頭在各個(gè)方向相互垂直),然后在信號(hào)最強(qiáng)的區(qū)域集中進(jìn)行掃描。


圖1 上升/下降時(shí)間為1ns的理想60MHz方波的頻譜

1.2 不宜采用IC 座
IC座對(duì)EMC 很不利,建議直接在PCB上焊接表貼芯片,具有較短引線和體積較小的IC芯片則更好, BGA及類似芯片封裝的IC在目前是最好的選擇。安裝在座(更糟的是,插座本身有電池)上的可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)的發(fā)射及敏感特性經(jīng)常會(huì)使一個(gè)本來(lái)良好的設(shè)計(jì)變壞。因此,應(yīng)該采用直接焊接到電路板上的表貼可編程儲(chǔ)存器。

帶有ZIF座和在處理器(能方便升級(jí))上用彈簧安裝散熱片的母板,需要額外的濾波和屏蔽,即使如此,選擇內(nèi)部引線最短的表貼ZIF 座也是有好處的。
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1.3電路技術(shù)

  • 對(duì)輸入和按鍵采用電平檢測(cè)(而非邊沿檢測(cè))
  • 使用前沿速率盡可能慢且平滑的數(shù)字信號(hào)(不超過(guò)失真極限)
  • 在PCB樣板上,允許對(duì)信號(hào)邊沿速度或帶寬進(jìn)行控制(例如,在驅(qū)動(dòng)端使用軟鐵氧體磁珠或串聯(lián)電阻)
  • 降低負(fù)載電容,以使靠近輸出端的集電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器便于上拉,電阻值盡量大
  • 處理器散熱片與芯片之間通過(guò)導(dǎo)熱材料隔離,并在處理器周?chē)帱c(diǎn)射頻接地。
  • 電源的高質(zhì)量射頻旁路(解耦)在每個(gè)電源管腳都是重要的。
  • 高質(zhì)量電源監(jiān)視電路需對(duì)電源中斷、跌落、浪涌和瞬態(tài)干擾有抵抗能力
  • 需要一只高質(zhì)量的看門(mén)狗
  • 決不能在看門(mén)狗或電源監(jiān)視電路上使用可編程器件
  • 電源監(jiān)視電路及看門(mén)狗也需適當(dāng)?shù)碾娐泛蛙浖夹g(shù),以使它們可以適應(yīng)大多數(shù)的不測(cè)情況,這取決于產(chǎn)品的臨界狀態(tài)
  • 當(dāng)邏輯信號(hào)沿的上升/下降時(shí)間比信號(hào)在PCB走線中傳輸一個(gè)來(lái)回的時(shí)間短時(shí),應(yīng)采用傳輸線技術(shù):

  a 、經(jīng)驗(yàn):信號(hào)在每毫米軌線長(zhǎng)度中傳輸一個(gè)來(lái)回的時(shí)間等于36皮秒
  b 、為了獲得最佳EMC特性,對(duì)于比a中經(jīng)驗(yàn)提示短得多的軌線,使用傳輸線技術(shù)

有些數(shù)字IC產(chǎn)生高電平輻射,常將其配套的小金屬盒焊接到PCB地線而取得屏蔽效果 。PCB上的屏蔽成本低,但在需散熱和通風(fēng)良好的器件上并不適用。

時(shí)鐘電路通常是最主要的發(fā)射源,其PCB軌線是最關(guān)鍵的一點(diǎn),要作好元件的布局,從而使時(shí)鐘走線最短,同時(shí)保證時(shí)鐘線在PCB的一面但不通過(guò)過(guò)孔。當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘必須經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)長(zhǎng)的路徑到達(dá)許多負(fù)載時(shí),可在負(fù)載旁邊安裝一時(shí)鐘緩沖器,這樣,長(zhǎng)軌線(導(dǎo)線)中的電流就小很多了。這里,相對(duì)的失真并非重要。長(zhǎng)軌線中的時(shí)鐘沿應(yīng)盡量圓滑,甚至可用正弦波,然后由負(fù)載旁的時(shí)鐘緩沖器加以整形。

1.4擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘
所謂的“擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘”是一項(xiàng)能夠減小輻射測(cè)量值的新技術(shù),但這并非真正減小了瞬時(shí)發(fā)射功率,因此,對(duì)一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。這種技術(shù)對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行1% ~ 2% 的調(diào)制,從而擴(kuò)散諧波分量,這樣在CISPR16或FCC發(fā)射測(cè)試中的峰值較低。所測(cè)的發(fā)射減小量取決于帶寬和測(cè)試接收機(jī)的積分時(shí)間常數(shù),因此這有一點(diǎn)投機(jī)之嫌,但該項(xiàng)技術(shù)已被FCC所接受,并在美國(guó)和歐洲廣泛應(yīng)用。調(diào)制度要控制在音頻范圍內(nèi),這樣才不會(huì)使時(shí)鐘信號(hào)失真,圖2是一時(shí)鐘諧波發(fā)射改善的例子。擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)中,比如以太網(wǎng)、光纖、FDD、ATM、SONET和ADSL。

絕大多數(shù)來(lái)自數(shù)字電路發(fā)射的問(wèn)題是由于同步時(shí)鐘信號(hào)。非同步邏輯(比如AMULET微處理器,正由steve Furbe教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在UMIST研制)將大大地降低發(fā)射量,同時(shí)也可獲得真正的擴(kuò)頻效果,而不只是集中在時(shí)鐘諧波上產(chǎn)生發(fā)射。


圖2 時(shí)鐘擴(kuò)頻導(dǎo)致的輻射降低

2模擬器件和電路設(shè)計(jì)

2.1 選擇模擬器件
從EMC的角度選擇模擬器件不象選擇數(shù)字器件那樣直接,雖然同樣希望發(fā)射、轉(zhuǎn)換速率、電壓波動(dòng)、輸出驅(qū)動(dòng)能力要盡量小,但對(duì)大多數(shù)有源模擬器件,抗擾度是一個(gè)很重要的因素,所以確定明確的EMC訂購(gòu)特征相當(dāng)困難。

來(lái)自不同廠商的同一型號(hào)及指標(biāo)的運(yùn)算放大器,可以有明顯不同的EMC性能,因此確保后續(xù)產(chǎn)品性能參數(shù)的一致性是十分重要的。敏感模擬器件的廠商提供EMC或電路設(shè)計(jì)上的信噪處理技巧或PCB布局,這表明他們關(guān)心用戶的需求,這有助于用戶在購(gòu)買(mǎi)時(shí)權(quán)衡利弊。
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2.2 防止解調(diào)問(wèn)題
大多數(shù)模擬設(shè)備的抗擾度問(wèn)題是由射頻解調(diào)引起的。運(yùn)放每個(gè)管腳都對(duì)射頻干擾十分敏感,這與所使用的反饋線路無(wú)關(guān)(見(jiàn)圖3),所有半導(dǎo)體對(duì)射頻都有解調(diào)作用,但在模擬電路上的問(wèn)題更嚴(yán)重。即使低速運(yùn)放也能解調(diào)移動(dòng)電話頻率及其以上頻率的信號(hào),圖4表明了實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果。


圖3 任何半導(dǎo)體器件都會(huì)發(fā)生解調(diào),所有引線都敏感

圖4 運(yùn)算放大器能夠有效地解調(diào)射頻信號(hào)

為了防止解調(diào),模擬電路處于干擾環(huán)境中時(shí)需保持線性和穩(wěn)定,尤其是反饋回路,更需在寬頻帶范圍內(nèi)處于線性及穩(wěn)定狀態(tài),這就常常需要對(duì)容性負(fù)載進(jìn)行緩沖,同時(shí)用一個(gè)小串聯(lián)電阻(約為500)和一個(gè)大約5PF的積分反饋電容串聯(lián)。

進(jìn)行穩(wěn)定度及線性測(cè)試時(shí),在輸入端注入小的但上升沿極陡 (《1ns) 的方波信號(hào)(也可以通過(guò)電容饋送到輸出端和電源端),方波的基頻必須在電路預(yù)期的頻帶內(nèi),電路輸出應(yīng)用100MHz(至少)的示波器和探針進(jìn)行過(guò)沖擊和振鈴檢查,對(duì)音頻或儀表電路也應(yīng)如此,對(duì)更高速模擬電路,要選取頻帶更寬的示波器,同時(shí)注意使用探頭的技巧。

超過(guò)信號(hào)高度50%的過(guò)沖擊表明電路不穩(wěn)定,對(duì)過(guò)沖擊應(yīng)予以有效的衰減,信號(hào)的任何長(zhǎng)久的振鈴(超過(guò)兩個(gè)周期)或突發(fā)振蕩表明其穩(wěn)定度不好。

以上測(cè)試應(yīng)在輸入及輸出端均無(wú)濾波器的情況下進(jìn)行,也可以用掃頻代替方波,頻譜分析儀代替示波器(更易看出共振頻率)

2.3其它模擬電路技術(shù)
獲得一穩(wěn)定且線性的電路后,其所有聯(lián)線可能還需濾波,同一產(chǎn)品中的數(shù)字電路部分總會(huì)把噪聲感應(yīng)到內(nèi)部連線上,外部連線則承受外界的電磁環(huán)境的騷擾。濾波器將在后面介紹。

決不要試圖采用有源電路來(lái)濾波和抑制射頻帶寬以達(dá)到EMC要求,只能使用無(wú)源濾波器(最好是RC型)。在運(yùn)放電路中,只有在其開(kāi)環(huán)增益遠(yuǎn)大于閉環(huán)增益時(shí)的頻率范圍內(nèi),積分反饋法才有效,但在更高頻率,它不能控制頻率響應(yīng)。

應(yīng)避免采用輸入、輸出阻抗高的電路,比較器必須具有遲滯特性(正反饋),以防止因?yàn)樵肼暫透蓴_而使輸出產(chǎn)生誤動(dòng)作,還可防止靠近切換點(diǎn)處的振蕩 。不要使用比實(shí)際需要快得多的輸出轉(zhuǎn)換比較器,保持dv/dt在較低狀態(tài)。

對(duì)高頻模擬信號(hào)(例如射頻信號(hào)),傳輸線技術(shù)是必需的,取決于其長(zhǎng)度和通信的最高頻率,甚至對(duì)低頻信號(hào),如果對(duì)內(nèi)部聯(lián)接用傳輸線技術(shù),其抗擾度也將有所改善。

有些模擬集成電路內(nèi)的電路對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)極為敏感,這時(shí)可用小金屬殼將其屏蔽起來(lái)(如果散熱允許),并將屏蔽盒焊接到PCB地線面上。

與數(shù)字電路相同,模擬器件也需要為電源提供高質(zhì)量的射頻旁路(去耦),但同時(shí)也需低頻電源旁路,因?yàn)槟M器件的電源噪聲抑制率(PSRR)對(duì)1kHz以上頻率是很微弱的,對(duì)每個(gè)運(yùn)放、比較器或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)模擬電源引腳的RC或LC濾波都是必要的,這些電源濾波器轉(zhuǎn)折頻率和過(guò)渡帶斜率應(yīng)補(bǔ)償器件PSRR的轉(zhuǎn)折頻率和斜率,以在所關(guān)心的頻帶內(nèi)獲得期望的PSRR。

一般的EMC設(shè)計(jì)指南中都很少涉及射頻設(shè)計(jì),這是因?yàn)樯漕l設(shè)計(jì)者一般都很熟悉大多數(shù)連續(xù)的EMC現(xiàn)象,然而需要注意的是,本振和IF頻率一般都有較大的泄漏 ,所以需要著重屏蔽和濾波。

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