如何避免來(lái)自產(chǎn)品本身的EMI干擾

每個(gè)制造商似乎都希望在新的和現(xiàn)有的移動(dòng)，家庭，工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療產(chǎn)品中添加某種形式的無(wú)線功能。這種“物聯(lián)網(wǎng)”的趨勢(shì)正在全面展開(kāi)，隨之而來(lái)的是EMI的問(wèn)題。也就是說(shuō)，來(lái)自產(chǎn)品本身的EMI會(huì)干擾敏感電話，GPS/GNSS和Wi-Fi/藍(lán)牙接收器。這被稱為“平臺(tái)干擾”，對(duì)于制造商而言這是一個(gè)大問(wèn)題。

大多數(shù)基于數(shù)字的產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生大量的板載射頻“噪聲”(電磁干擾)，這通常不會(huì)打擾數(shù)字電路本身但是，來(lái)自數(shù)字時(shí)鐘，高速數(shù)據(jù)總線和板載開(kāi)關(guān)模式電源的諧波能量很容易對(duì)700到950 MHz的手機(jī)頻段造成干擾，導(dǎo)致接收器“靈敏度降低”(接收器靈敏度降低)。為了使用各種移動(dòng)電話服務(wù)(Verizon，ATT，Sprint，T-Mobile和美國(guó)其他公司)，制造商必須根據(jù)CTIA標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)非常嚴(yán)格的合規(guī)性測(cè)試。這種板載數(shù)字噪音通常會(huì)延遲數(shù)周或數(shù)月的產(chǎn)品推出。

我的最后三位客戶都遇到了平臺(tái)干擾問(wèn)題，這些問(wèn)題使得他們的產(chǎn)品在重新設(shè)計(jì)完成之前一直不在市場(chǎng)上。在本文中，我將展示這種噪音的樣子，如何測(cè)量它并提出一些補(bǔ)救措施。

示例

首先，讓我們來(lái)看一下典型的產(chǎn)品。出于保密目的，詳細(xì)信息仍然是一般性的。該板包括一個(gè)USB端口，其數(shù)據(jù)最終通過(guò)各種移動(dòng)電話系統(tǒng)傳輸，具體取決于出廠配置。

圖1 - 一般PC板噪聲特性的測(cè)量設(shè)置。通常的近場(chǎng)探頭最常用于縮小噪聲產(chǎn)生的范圍并表征產(chǎn)生的噪聲類型。在這種情況下，高頻電流探頭用于測(cè)量USB電纜諧波。

圖2 - 有兩種常見(jiàn)類型的高頻諧波;窄帶(在水中痕跡)和寬帶(紫色痕跡)。黃色跡線是測(cè)量系統(tǒng)的環(huán)境噪聲水平，并且始終是一個(gè)好主意。

有兩種常見(jiàn)類型的高頻諧波圖;窄帶和寬帶。圖2顯示了差異。通常，DC-DC轉(zhuǎn)換器或數(shù)據(jù)/地址總線數(shù)據(jù)將顯示為具有多個(gè)共振峰的非常寬的信號(hào)(圖2中的紫色跡線)，而晶體振蕩器或高速時(shí)鐘將顯示為一系列窄尖峰(水中痕跡)圖2)。除非產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，否則這兩種類型的信號(hào)都可以很好地向手機(jī)頻段輻射或傳導(dǎo)高頻能量。

圖3 - 測(cè)量產(chǎn)生的噪聲通過(guò)板載DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。無(wú)線電模塊位于電路板的最右端。

圖4 - 測(cè)量位于無(wú)線電附近的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的噪聲模塊。

測(cè)量類型

我建議通常有兩種類型的測(cè)量。第一個(gè)有助于表征電路板區(qū)域的一般噪聲曲線(DC-DC轉(zhuǎn)換器，時(shí)鐘總線，處理器，RAM和任何其他潛在的高頻設(shè)備。此測(cè)量取自至少1到1000 MHz，以便表征一般光譜曲線，以及是否有任何能量延伸到所關(guān)注的接收器通帶(圖5)。對(duì)于其他移動(dòng)電話和/或GPS/GNSS，您需要高達(dá)2 GHz。對(duì)于Wi-Fi，你需要看到高達(dá)2.5或5.4 GHz。分析儀使用最大保持模式來(lái)建立最大光譜幅度。

圖5 - 在此例如，我們正在尋找30 MHz至1.5 GHz的頻率來(lái)概括表征幾個(gè)板載DC-DC轉(zhuǎn)換器的頻譜發(fā)射特性。兩者都可能對(duì)700至950 MHz區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)電話頻段造成干擾。紫色跡線的一個(gè)比環(huán)境噪聲水平高30 dB。

我建議的下一個(gè)測(cè)量是看ju接收器(下行鏈路)頻段。您可能需要一個(gè)至少增加30 dB的外部寬帶前置放大器，以便清楚地觀察到的侵入噪聲(如果有的話)。我通常也打開(kāi)20 dB內(nèi)置前置放大器。我使用Beehive Electronics外部放大器，頻率范圍為100 kHz至6 GHz，但還有許多其他公司，如Aaronia，Rohde& Schwarz和Keysight銷售具有低噪聲系數(shù)的高增益寬帶前置放大器。您可能需要在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行這些測(cè)量，以排除其他移動(dòng)電話傳輸中斷您的測(cè)量。實(shí)例顯示在圖6,7和8中

圖6 - 在手機(jī)頻段的接收器通帶內(nèi)測(cè)量?jī)蓚€(gè)噪聲源(淺綠色和紫色跡線)。黃色跡線是環(huán)境測(cè)量。

圖7 - 接收器通帶內(nèi)的以太網(wǎng)諧波(紫色跡線)。

圖8 - 在這種情況下，噪聲(紫色跡線)是脈動(dòng)的，并使用頻譜分析儀上的最大保持模式捕獲。它比環(huán)境噪聲水平高10 dB。

補(bǔ)救檢查表

正如我所提到的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮到EMC并且不應(yīng)切割任何角落。這將包括：

近乎完美的PC板布局

過(guò)濾DC-DC轉(zhuǎn)換器

過(guò)濾任何高頻設(shè)備

過(guò)濾無(wú)線電模塊

高噪聲區(qū)域周圍的局部屏蔽

可能屏蔽整個(gè)產(chǎn)品

正確放置天線

PC板布局至關(guān)重要，是您應(yīng)付的大部分工作。八層或十層疊層將提供隔離電源，模擬，數(shù)字和無(wú)線電部分的最大靈活性，并提供多個(gè)接地返回平面，這些平面可以圍繞板邊緣縫合在一起以形成法拉第籠。必須注意避免部分之間的返回電流污染。無(wú)線電部分的電源平面應(yīng)與數(shù)字電源平面隔離(通過(guò)窄橋除外)。這可以在數(shù)字電路和無(wú)線電之間提供高達(dá)40 dB的隔離。

電源和接地返回平面位于相鄰層上并且最多相距3-4密耳至關(guān)重要。這將提供最佳的高頻旁路。時(shí)鐘或其他高速走線應(yīng)避免通過(guò)太多過(guò)孔，并且不應(yīng)更改參考平面。

電源部分應(yīng)與敏感的模擬或無(wú)線電路(包括天線)完全隔離。注意主要和次要電流回路及其返回電流。這些返回電流不應(yīng)與數(shù)字，模擬或無(wú)線電電路共享相同的返回平面路徑。請(qǐng)記住，返回電流希望直接返