EMC設(shè)計器件選擇及電路介紹
1.電路設(shè)計及EMC器件選擇
在新設(shè)計及開發(fā)項目的開始，正確選擇有源與無源器件及完善的電路設(shè)計技術(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)字信號的完整性及模擬信號信噪比，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)品達到其功能技術(shù)要求，盡早投入市場。這些EMC技術(shù)應(yīng)視為公司竟?fàn)巸?yōu)勢的一部分，有助于使企業(yè)獲得最大的商業(yè)利益。
1.1數(shù)字器件與EMC電路設(shè)計
1.1.1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同步，這將產(chǎn)生高次諧波分量，如圖1示。時鐘速率越高，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，盡量選擇低速時鐘。在HC能用時絕不要使用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
* 多個電源及地線引腳
* 輸出電壓波動性小
* 可控開關(guān)速率
* 與傳輸線匹配的I/O電路
* 差動信號傳輸
* 地線反射較低
* 對ESD及其他干擾現(xiàn)象的抗擾性
* 輸入電容小
* 輸出級驅(qū)動能力不超過實際應(yīng)用的要求
* 電源瞬態(tài)電流低(有時也稱穿透電流)
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)的具有相同型號及指標(biāo)的器件可能有顯著不同的EMC特性，這一點對于確保陸續(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)計說明，比如Intel的奔騰MMX芯片就是這樣。設(shè)計人員要了解這些并嚴(yán)格按要求去做。詳盡的EMC設(shè)計建議表明：生產(chǎn)商關(guān)心的是用戶的真正需求，這在選擇器件時是必須考慮的因素。在早期設(shè)計階段，如果IC的EMC特性不清楚，可以通過一簡單功能電路(至少時鐘電路要工作)進行各種EMC測試，同時要盡量在高速數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)完成操作。發(fā)射測試可方便地在一標(biāo)準(zhǔn)測試臺上進行，將近場磁場探頭連接到頻譜分析儀(或?qū)拵静ㄆ?上，有些器件明顯地比其他一些器件噪聲小得多，測試抗擾度時可采用同樣的探頭，并連到信號發(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。測試時近場探頭需貼近器件或PCB板，為了定位“關(guān)鍵探測點”和最大化探頭方向 ， 應(yīng)首先在整個區(qū)域進行水平及垂直掃描(使探頭在各個方向相互垂直)，然后在信號最強的區(qū)域集中進行掃描。
1.1.2 不宜采用IC 座
IC座對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器(PROM)的發(fā)射及敏感特性經(jīng)常會使一個本來良好的設(shè)計變壞。因此，應(yīng)該采用直接焊接到電路板上的表貼可編程儲存器
帶有ZIF座和在處理器(能方便升級)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。
1.1.3電路技術(shù)
* 對輸入和按鍵采用電平檢測(而非邊沿檢測)
* 使用前沿速率盡可能慢且平滑的數(shù)字信號(不超過失真極限)
* 在PCB樣板上，允許對信號邊沿速度或帶寬進行控制(例如，在驅(qū)動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路驅(qū)動器便于上拉，電阻值盡量大 * 處理器散熱片與芯片之間通過導(dǎo)熱材料隔離，并在處理器周圍多點射頻接地。
* 電源的高質(zhì)量射頻旁路(解耦)在每個電源管腳都是重要的。
* 高質(zhì)量電源監(jiān)視電路需對電源中斷、跌落、浪涌和瞬態(tài)干擾有抵抗能力
* 需要一只高質(zhì)量的看門狗
* 決不能在看門狗或電源監(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)的不測情況，這取決于產(chǎn)品的臨界狀態(tài)
* 當(dāng)邏輯信號沿的上升/下降時間比信號在PCB走線中傳輸一個來回的時間短時，應(yīng)采用傳輸線技術(shù)：
a 、經(jīng)驗：信號在每毫米軌線長度中傳輸一個來回的時間等于36皮秒
b 、為了獲得最佳EMC特性，對于比a中經(jīng)驗提示短得多的軌線，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，要作好元件的布局，從而使時鐘走線最短，同時保證時鐘線在PCB的一面但不通過過孔。當(dāng)一個時鐘必須經(jīng)過一段長長的路徑到達許多負(fù)載時，可在負(fù)載旁邊安裝一時鐘緩沖器，這樣，長軌線(導(dǎo)線)中的電流就小很多了。這里，相對的失真并非重要。長軌線中的時鐘沿應(yīng)盡量圓滑，甚至可用正弦波，然后由負(fù)載旁的時鐘緩沖器加以整形。
1.1.4擴展頻譜時鐘
所謂的“擴展頻譜時鐘”是一項能夠減小輻射測量值的新技術(shù)，但這并非真正減小了瞬時發(fā)射功率，因此，對一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。這種技術(shù)對時鐘頻率進行1% ~ 2% 的調(diào)制，從而擴散諧波分量，這樣在CISPR16或FCC發(fā)射測試中的峰值較低。所測的發(fā)射減小量取決于帶寬和測試接收機的積分時間常數(shù)，因此這有一點投機之嫌，但該項技術(shù)已被FCC所接受，并在美國和歐洲廣泛應(yīng)用。調(diào)制度要控制在音頻范圍內(nèi)，這樣才不會使時鐘信號失真，圖2是一時鐘諧波發(fā)射改善的例子。擴展頻譜時鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如以太網(wǎng)、光纖、FDD、ATM、SONET和ADSL。
絕大多數(shù)來自數(shù)字電路發(fā)射的問題是由于同步時鐘信號。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，同時也可獲得真正的擴頻效果，而不只是集中在時鐘諧波上產(chǎn)生發(fā)射。
1.2模擬器件和電路設(shè)計
1.2.1 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、輸出驅(qū)動能力要盡量小，但對大多數(shù)有源模擬器件，抗擾度是一個很重要的因素，所以確定明確的EMC訂購特征相當(dāng)困難。
來自不同廠商的同一型號及指標(biāo)的運算放大器，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，這有助于用戶在購買時權(quán)衡利弊。
1.2.2 防止解調(diào)問題
大多數(shù)模擬設(shè)備的抗擾度問題是由射頻解調(diào)引起的。運放每個管腳都對射頻干擾十分敏感，這與所使用的反饋線路無關(guān)(見圖3)，所有半導(dǎo)體對射頻都有解調(diào)作用，但在模擬電路上的問題更嚴(yán)重。即使低速運放也能解調(diào)移動電話頻率及其以上頻率的信號，圖4表明了實際產(chǎn)品的測試結(jié)果。為了防止解調(diào)，模擬電路處于干擾環(huán)境中時需保持線性和穩(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)，這就常常需要對容性負(fù)載進行緩沖，同時用一個小串聯(lián)電阻(約為500)和一個大約5PF的積分反饋電容串聯(lián)。
進行穩(wěn)定度及線性測試時，在輸入端注入小的但上升沿極陡 (<1ns) 的方波信號(也可以通過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)的示波器和探針進行過沖擊和振鈴檢查，對音頻或儀表電路也應(yīng)如此，對更高速模擬電路，要選取頻帶更寬的示波器，同時注意使用探頭的技巧
超過信號高度50%的過沖擊表明電路不穩(wěn)定，對過沖擊應(yīng)予以有效的衰減，信號的任何長久的振鈴(超過兩個周期)或突發(fā)振蕩表明其穩(wěn)定度不好。
以上測試應(yīng)在輸入及輸出端均無濾波器的情況下進行，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)
1.1.4擴展頻譜時鐘
所謂的“擴展頻譜時鐘”是一項能夠減小輻射測量值的新技術(shù)，但這并非真正減小了瞬時發(fā)射功率，因此，對一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。這種技術(shù)對時鐘頻率進行1% ~ 2% 的調(diào)制，從而擴散諧波分量，這樣在CISPR16或FCC發(fā)射測試中的峰值較低。所測的發(fā)射減小量取決于帶寬和測試接收機的積分時間常數(shù)，因此這有一點投機之嫌，但該項技術(shù)已被FCC所接受，并在美國和歐洲廣泛應(yīng)用。調(diào)制度要控制在音頻范圍內(nèi)，這樣才不會使時鐘信號失真，圖2是一時鐘諧波發(fā)射改善的例子。擴展頻譜時鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如以太網(wǎng)、光纖、FDD、ATM、SONET和ADSL。
絕大多數(shù)來自數(shù)字電路發(fā)射的問題是由于同步時鐘信號。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，同時也可獲得真正的擴頻效果，而不只是集中在時鐘諧波上產(chǎn)生發(fā)射。
1.2模擬器件和電路設(shè)計
1.2.1 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、輸出驅(qū)動能力要盡量小，但對大多數(shù)有源模擬器件，抗擾度是一個很重要的因素，所以確定明確的EMC訂購特征相當(dāng)困難。
來自不同廠商的同一型號及指標(biāo)的運算放大器，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，這有助于用戶在購買時權(quán)衡利弊。
1.2.2 防止解調(diào)問題
大多數(shù)模擬設(shè)備的抗擾度問題是由射頻解調(diào)引起的。運放每個管腳都對射頻干擾十分敏感，這與所使用的反饋線路無關(guān)(見圖3)，所有半導(dǎo)體對射頻都有解調(diào)作用，但在模擬電路上的問題更嚴(yán)重。即使低速運放也能解調(diào)移動電話頻率及其以上頻率的信號，圖4表明了實際產(chǎn)品的測試結(jié)果。為了防止解調(diào)，模擬電路處于干擾環(huán)境中時需保持線性和穩(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)，這就常常需要對容性負(fù)載進行緩沖，同時用一個小串聯(lián)電阻(約為500)和一個大約5PF的積分反饋電容串聯(lián)。
進行穩(wěn)定度及線性測試時，在輸入端注入小的但上升沿極陡 (<1ns) 的方波信號(也可以通過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)的示波器和探針進行過沖擊和振鈴檢查，對音頻或儀表電路也應(yīng)如此，對更高速模擬電路，要選取頻帶更寬的示波器，同時注意使用探頭的技巧
超過信號高度50%的過沖擊表明電路不穩(wěn)定，對過沖擊應(yīng)予以有效的衰減，信號的任何長久的振鈴(超過兩個周期)或突發(fā)振蕩表明其穩(wěn)定度不好。
以上測試應(yīng)在輸入及輸出端均無濾波器的情況下進行，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)
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