消費電子之dvd數(shù)字視盤機(jī)電磁干擾設(shè)計方案

電磁干擾是電子產(chǎn)品一個不容忽視的問題，在設(shè)計時就應(yīng)該采取措施，良好的設(shè)計將減少設(shè)計時間和產(chǎn)品成本。從國家標(biāo)準(zhǔn)化組織對電磁干擾的要求出發(fā)，分析了數(shù)字視盤機(jī)產(chǎn)生電磁干擾的三個主要原因，由此有針對性的從開關(guān)電源、音頻/視頻輸出和PCB電路板三個方面展開討論，設(shè)計分析了抑制電磁干擾的幾種方法，并通過了EMI測試。
電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)指一個電子設(shè)備不斷向它所處的環(huán)境排放超過允許范圍的干擾。為了保護(hù)環(huán)境，國家標(biāo)準(zhǔn)化組織已制訂了若干強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，要求電子設(shè)備生產(chǎn)廠家必須將其產(chǎn)品的電磁干擾降到一定的程度。因此，從設(shè)計開始就必須注重電子設(shè)備的EMI設(shè)計，從元器件、連接器的選擇、印刷板的布局布線、接地點等各方面進(jìn)行綜合考慮，降低電磁干擾。本文以DVD-1000數(shù)字視盤機(jī)為例，介紹EMI設(shè)計的一點體會。
1 EMI設(shè)計要求
對于電子產(chǎn)品的EMI要求，我國于1997年7月頒布了“GB13837-1997《聲音和電視廣播接收機(jī)及有關(guān)設(shè)備無線干擾特性限值和測量方法》標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定了五種電磁干擾的限值。
(1)注入電源的騷擾電壓。在9～30 kHz范圍內(nèi)，若電子設(shè)備注入電網(wǎng)的干擾電壓超過66 dBμV，干擾信號將通過電源網(wǎng)對其他設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，從而使其他設(shè)備性能降低或無法正常工作。
(2)天線端騷擾電壓。當(dāng)接收設(shè)備外接公用天線或天線間非常接近時，干擾信號很容易通過分配電纜或天線間耦合造成相互干擾。
(3)射頻輸出器有用信號和騷擾信號電平。當(dāng)設(shè)備射頻輸出端與其他設(shè)備連接時，如果設(shè)備的射頻輸出有用信號及其諧波電平太高，產(chǎn)生的高頻諧波輻射將對臨近設(shè)備產(chǎn)生干擾。
(4)輻射騷擾場強(qiáng)或功率。廣播接收機(jī)的本振及其諧波、一中頻單元輻射場強(qiáng)不能過高，否則會污染電磁環(huán)境。
(5)騷擾功率。聲頻功率放大器、音視盤機(jī)等設(shè)備在頻率30 MHz以上的輻射主要是通過與其相連的電源線及其他連線向外輻射能量。當(dāng)電源線和其他連線上的騷擾功率峰值大于55 dBμV時，將影響其他設(shè)備的正常工作。
2 數(shù)字視盤機(jī)的EMI傳播機(jī)理
EMI的傳播主要分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。輻射干擾是指各系統(tǒng)之間的干擾，它把電子產(chǎn)品內(nèi)部所產(chǎn)生的各種頻率干擾通過引線和元器件以空間電磁波的形式向外輻射電磁場，從而對其他電子設(shè)備形成干擾。例如：DVD視盤機(jī)的高頻信號線、各類接插件都可能成為具有天線特性的輻射干擾源。傳導(dǎo)干擾則是系統(tǒng)內(nèi)部通過導(dǎo)電介質(zhì)以傳導(dǎo)的方式把信號耦合而形成的干擾，它一般是由于阻抗的交連(電源內(nèi)阻、地線之間的阻抗)、互感的交連(指導(dǎo)線之間)以及寄生電容的交連而引起的內(nèi)部干擾。例如：電視機(jī)的行輻射。
消除或減少電磁干擾的具體方法有很多，主要有屏蔽技術(shù)、電源濾波、接地技術(shù)以及采用EMI器件。對于DVD數(shù)字視盤機(jī)，由于沒有天線和射頻輸出端口，其天線端騷擾電壓很小，大多低于30 dBμV，其主要傳播途徑有以下幾種：開關(guān)電源產(chǎn)生的脈沖電流和電壓的變化很快，形成的開關(guān)電源開關(guān)脈沖及高次諧波通過元器件和電源線向外輻射和傳導(dǎo)，產(chǎn)生電磁干擾;音頻/視頻輸出信號通過音頻/視頻信號連接線向外輻射;數(shù)字電路工作需要的各種時鐘信號及其高次諧波，如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27 MHz，16.934 4 MHz，40.5 MHz)形成的干擾脈沖，通過元器件向外輻射。
3 EMI設(shè)計
3.1 開關(guān)電源的EMI設(shè)計
開關(guān)電源是電子設(shè)備的重要組成部分。電子設(shè)備中運(yùn)行的電信號相對開關(guān)電源在幅值和能量上要小得多，這意味著開關(guān)電源通常是電子設(shè)備的最強(qiáng)干擾源。開關(guān)電源產(chǎn)生干擾的原因很多，如由于外部電網(wǎng)中負(fù)載、電壓的隨機(jī)變化造成開關(guān)電源的輸入電流含有較多的噪聲;內(nèi)部的功率開關(guān)管在截止和導(dǎo)通之間的高速切換產(chǎn)生豐富的高次諧波干擾，整流二極管反向恢復(fù)時產(chǎn)生的突變尖峰電流干擾，高速率變化的電壓和對地分布電容產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾等。在DVD數(shù)字視盤機(jī)中，為了減小開關(guān)電源的EMl干擾，采取了以下措施：
3.1.1 開關(guān)變壓器的EMI設(shè)計
為減少電源電路中的干擾，首先開關(guān)變壓器采用反激式激勵方式，反激式變壓器開關(guān)電源的原理圖如圖1所示。Ui為開關(guān)電源的輸入電壓，T為高頻變壓器，SW為控制開關(guān)。由于整流二極管的存在，反激式開關(guān)電源在控制開關(guān)接通期間不向負(fù)載提供功率輸出，僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才把儲存能量轉(zhuǎn)化為反電動勢向負(fù)載輸出，因此，輸入電源出現(xiàn)變化時，開關(guān)電源不能立即對輸出電壓和電流產(chǎn)生反映，只有到下個工作周期中電源關(guān)斷時才起作用，即反激式開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)反應(yīng)較遲緩;同時由于儲能濾波電容的容量很大，使輸出電壓穩(wěn)定，減少了高頻干擾。
另外，反激式電源變壓器應(yīng)注意變壓器氣隙的大小，氣隙越大變壓器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)，但變壓器的漏感越大，在滿足帶負(fù)載能力的前提下，漏感要盡量小些，以減小漏感產(chǎn)生的干擾。同時，為了減小原、副邊的雜散電容.在變壓器的初次級之間加入一層銅層屏蔽層，切斷初次級的干擾傳播通道。
3.1.2 開關(guān)變壓器輸出濾波器設(shè)計
良好的濾波技術(shù)對于開關(guān)電源的EMl具有明顯的效果。在開關(guān)變壓器輸出端接入LC共模一差模濾波和π型濾波器(如圖2所示)，來抑制開關(guān)電源中的EMI干擾。Cx為電源跨接電容，濾除共模干擾信號，常用陶瓷電容或聚脂薄膜電容，取0.22～0.47μF;Cy為旁路電容，濾除差模信號，在4 700 pF以下，電容量過大會影響設(shè)備的絕緣性能;L1是共模線圈，由兩個繞在同一個高導(dǎo)磁率磁芯上的繞組組成，感量為幾十mH。調(diào)整電感、電容，使諧振頻率與干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對頻率很高的電磁干擾，可以使用三端電容或穿心電容進(jìn)行濾波。
另外，Cx及Cy的引線和連接地引線應(yīng)盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經(jīng)過電容旁路到地線;濾波器盡量靠近輸入端口.避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合，而失去濾波作用。

3.l.3 采用MOS型開關(guān)集成電路
采用STR6651 MOS型開關(guān)集成電路，它是一種多數(shù)載流子運(yùn)動的半導(dǎo)體器件，所需要的驅(qū)動功率小，則驅(qū)動電路的元器件電磁輻射的能量小。另外，該開關(guān)集成電路內(nèi)含脈沖尖峰吸收電路，使得尖峰干擾大為減少。
3.2 音頻/視頻的EMI設(shè)計
3.2.1 采用具有濾波連接器的電纜
在音頻/視頻設(shè)計中，最薄弱的EMI設(shè)計環(huán)節(jié)為連接設(shè)備的電纜。普通屏蔽電纜是金屬編制網(wǎng)，上面的孔洞會在高頻時產(chǎn)生泄露，不能滿足對于高頻干擾的屏蔽。為此采用了帶有濾波連接器的電纜，在每個連接器的孔上面安裝了一個低通濾波器，消除了信號線上面的高頻干擾。從而減小了電纜上面的輻射。
3.2.2 在音頻/視頻輸出口串接EMI器件
不同的EMI器件，其高頻衰減頻率不同，其參數(shù)選擇應(yīng)根據(jù)EMI試驗確定。例如在DVD-1000數(shù)字視盤機(jī)中，音頻EMI的參數(shù)為：在100 MHz時，Z=(1 000±250)Ω。這樣，輸出信號的高頻能量大大減小，即高頻干擾大大減小。
3.2.3 音頻/視頻輸出的布線
為降低接地電阻，消除分布電容的影響，音頻/視頻輸出RCA座采用大面積接地，其接地端和金屬外殼相連;同時加強(qiáng)對視頻D/A、音頻D/A的設(shè)計，使之輸出信號中的高頻諧波分量很小。3.3 PCB板的EMI設(shè)計
在器件的布局上注意EMI設(shè)計，各功能電路以核心芯片為中心，相關(guān)元件布置在核心芯片周圍;各功能電路信號流暢，盡量減少信號回流的現(xiàn)象;干擾器件盡量遠(yuǎn)離鍵板、遙控接收板等I/O端口和連接線;各信號連接線不能跨過干擾很大的電路;合理安排復(fù)位電路、時鐘電路，要盡量靠近器件引腳;合理安排濾波電容的位置，濾波電容要盡量靠近需要濾波的器件引腳等。
在PCB板布線中，模擬和數(shù)字電路一定要在其功能區(qū)域內(nèi)走線，優(yōu)先布重要器件及重要信號(時鐘/地址/數(shù)據(jù)/復(fù)位線等)以確保這些連線最短;晶體振蕩器的金屬外殼要良好接地，晶振器件下面不得走信號線;對于連接線端子、I/O端口的EMI器件一定要放置在連接線端子、I/O端口傍，且信號走線一定要先經(jīng)過EMI器件再到端子等。
3.4 DVD數(shù)字視盤機(jī)的EMI測試結(jié)果
DVD-1000數(shù)字視盤機(jī)經(jīng)過以上EMI設(shè)計和措施，有效地減小了高頻干擾，通過了國內(nèi)的EMI試驗。圖3.圖4為L端及N端的注入電源騷擾電壓試驗報告。

4 結(jié) 語
DVD數(shù)字視盤機(jī)有許多潛在的輻射源，它可以干擾環(huán)境，使設(shè)計不能通過3C論證。作為設(shè)計人員，應(yīng)及早貫徹EMI的意識性，消除電磁干擾，從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。