可攜式產(chǎn)品電磁干擾濾波解決方案

 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)與訊號(hào)(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(jì)時(shí)，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)本身的噪聲或訊號(hào)，對訊號(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)的量測解析上，會(huì)使用到近場(Near Field)量測的除錯(cuò)模式(Debug Mode)，及遠(yuǎn)場(Far Field)量測的驗(yàn)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(yàn)證與預(yù)測。若要對產(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(xiàng)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(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)部的訊號(hào)在做傳遞時(shí)，當(dāng)只需要對其高頻的倍頻諧波(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。

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(jì)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(yàn)證時(shí)，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(shí)效性(Time To Market)。在可?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訊號(hào)原是用來接收使用，但它們一樣會(huì)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)的倍頻訊號(hào)或電源噪聲，耦合到Base Band或RF IC的電源、訊號(hào)或天線中，而造成這些芯片的功能暫時(shí)失效或錯(cuò)誤。

欲解決可攜式產(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(diǎn)位置，要能盡量避開敏感的頻段位置。其次必須確認(rèn)產(chǎn)品訊號(hào)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，藉由量測工具確認(rèn)問題點(diǎn)，選擇合適的訊號(hào)濾波裝置。在處理SI問題時(shí)，若有再發(fā)現(xiàn)一些偶數(shù)倍頻的問題時(shí)，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(yàn)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。