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如何輕松拿捏EMC?

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# ~( |: u9 E. f! S; p擊上方名片關(guān)注了解更多
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7 G$ [/ Z$ @% O! n6 l% H01、emc簡介電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility),在國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC對電磁兼容的定義為:系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作,同時(shí)不會對其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部分:(1)EMI電磁干擾,乃為機(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲(如打呼嚕太大,影響周圍人睡覺);(2)EMS乃指機(jī)器在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。
5 u. p4 m1 H% \02、電子產(chǎn)品為什么要考慮EMC?舉個網(wǎng)上的案例:1967年,火箭飛行控制計(jì)算機(jī),發(fā)射時(shí)需要考慮冷卻方案,早期都是冷卻液循環(huán),冷卻液在流動制冷時(shí),會存在靜電積累(液體流動摩擦),到一定程度沒有泄放通路,遇到金屬就會產(chǎn)生擊穿放電。設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)絕緣氣隙距離假如是10cm,但火箭到26KM的高空,接近真空時(shí),環(huán)境和氣壓不一樣,絕緣氣隙距離縮短,導(dǎo)致故障?梢奅MC問題關(guān)系著我們產(chǎn)品的可靠性,產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì),涉及生命安全的產(chǎn)品,需要高度重視。進(jìn)一步總結(jié)產(chǎn)品MEC需要考慮:(1)市場準(zhǔn)入和國家法規(guī)的要求:技術(shù)的貿(mào)易壁壘;(2)特殊行業(yè)的準(zhǔn)入要求:軍工、鐵路、汽車等行業(yè)準(zhǔn)入要求;(3)零部件電磁兼容需求,產(chǎn)品本身EMC性能需求;(4)可靠性要求,電磁兼容做好,為市場應(yīng)用的可靠性做保障,需要考慮各種極端工況;(5)特殊應(yīng)用,如EMC的信息安全:無線電信息截取、433傳統(tǒng)汽車無線鑰匙干擾等;% y$ p  i+ s' P) l$ ~7 D
03、EMC三要素EMC問題,我們可以用電路模型來建立EMC問題模型和給出解決方案。首先介紹下EMC的三要求:干擾源、傳播路徑、敏感源,其中干擾路徑是最不容易判斷的,干擾源和敏感設(shè)備可以通過經(jīng)驗(yàn)做一些識別。+ u- K1 l% |: |, P' o  p
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舉個案例幫助我們更好的理解三要素:如電吹風(fēng)使用時(shí),電視機(jī)出現(xiàn)雪花屏(1)電視機(jī)的EMS,可能比較差,測不過;(2)電吹風(fēng)的EMI,同時(shí)可能也沒有做限制;
& d5 d( T0 @, k# P那案例中的三要素分析如下:(1)干擾源:電池風(fēng)里面的電源電路、電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電源變化(2)敏感設(shè)備:電視機(jī)顯示屏(3)耦合路徑:可能是220V插排的供電口(共用插排),或者空間電磁波輻射干擾
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5 O! N& y# V8 O) k3 ~$ o9 n04、干擾源電子產(chǎn)品干擾源在電磁環(huán)境下的干擾源各種各樣,常見的如:(1)無線發(fā)射(4G、5G、對講機(jī)):RS類干擾(2)雷電:浪涌類的干擾(3)人體:ESD類干擾(4)電氣開關(guān)的工作:EFT/CS類的干擾& m, n/ I: v6 b+ i; _

0 ]. ]# J1 k3 K/ y從常見的干擾源信號特征,我們可以總結(jié)出電磁干擾源的要素:即變化的電壓(dv/dt)或者電流(di/dt)。進(jìn)一步在EMC問題中,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)60%問題來源于DCDC干擾。對于設(shè)備來說DCDC開關(guān)電源是最常見的噪聲源,而通常又不易受干擾,所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例,DCDC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化,包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量,其開關(guān)噪聲不僅包含開關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲,另外其開關(guān)速度越低,高頻噪聲分量衰減越大。* _5 n8 G& ^9 h+ r: A

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除DCDC電源外,常見還有高速時(shí)鐘信號,在電磁兼容的輻射發(fā)射測試中,常見的就是時(shí)鐘輻射超標(biāo)(如下圖所示)。
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+ l( |  {9 b' s' F因?yàn)闀r(shí)域中周期性的信號對應(yīng)頻域中離散的頻譜,所以時(shí)鐘能量比較集中,這在頻譜上的表現(xiàn)就是:時(shí)鐘頻點(diǎn)(時(shí)鐘基頻以及倍頻)上能量很高,而非時(shí)鐘頻點(diǎn)幾乎沒有能量。
! }& P9 k& |, }/ _05、耦合路徑常見的耦合路徑包括:
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; \0 d9 d5 d' k' X9 P(1)傳導(dǎo):在干擾源和接收電路之間的耦合路徑就是直接的接觸,比如引線、電纜或者路徑連接。常見的耦合如電阻性耦合,由兩個回路經(jīng)過公共阻抗耦合而產(chǎn)生,干擾量是電流i,或者di/dt。舉例:數(shù)字電路和模擬電路為啥要做地分割隔離,最怕存在共阻抗的時(shí)候,數(shù)字信號流過共阻抗時(shí),在模擬電路上產(chǎn)生uA電流產(chǎn)生電壓,模擬信號敏感電壓將出現(xiàn)偏差。
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8 Z& h' Q) f) D1 K(2)空間耦合:(2-1)互容耦合:在兩個接近的導(dǎo)體或者引線之間存在各種電容場,如最典型的平行走線,噪聲源和敏感源之間有分布電容C2,頻率下等效于為阻抗,就類似電阻耦合的干擾案例。
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(2-2)電感耦合:在兩個平行導(dǎo)體或者引線之間存在磁場,當(dāng)間距小于電磁波波長的時(shí)候會在接收導(dǎo)體上引起電壓的變化。磁通的方式相互影響,如無線充電,常見干擾如PCB上的平行布線。) E9 a, j4 N5 V

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對于電感或者磁場耦合,干擾產(chǎn)生的主要原因是流過高頻電流回路產(chǎn)生的磁通空間上串到接收回路中產(chǎn)生的,因此問題的改善,一般需要減小流過高頻電流回路的面積或者接收回路的面積。
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(2-3)電磁輻射:當(dāng)干擾源與接收電路之間的距離比較遠(yuǎn),大于電磁波波長,發(fā)射與接收之間相當(dāng)于無線電天線,電磁干擾從干擾源發(fā)送,輻射出的電磁波在空氣中傳播。
% ]4 @) {3 ]+ k06、敏感源電子產(chǎn)品敏感源,常見的如:復(fù)位電路、傳感器采樣電路,數(shù)據(jù)通信電路、音視頻處理電路等均視為敏感電路。舉例如傳感器和大功率用電設(shè)備如電機(jī)共地了,大功率電機(jī)工作的時(shí)候產(chǎn)生共模漏流,就會對傳感器的采集產(chǎn)生影響,在設(shè)計(jì)時(shí)我們需要注意此類信號。
/ D6 _: P6 k" g/ `' Q07、時(shí)域與頻域時(shí)域與頻域是針對同一個事物,不同角度的分析結(jié)果,在做EMC分析時(shí)更多的是從頻域的角度去分析問題。如在時(shí)域上,基帶的時(shí)鐘越接近完美的方波,但在頻域上,射頻的EMC可能是一個不好的波形(邊沿越陡峭,高次諧波頻譜能量越大)。
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$ a- o5 y: p5 Q: o7 l4 x4 {7 z我們從最常見的DCDC開關(guān)信號和高頻時(shí)鐘信號在頻域的角度進(jìn)行展開。左圖表示為脈沖波形,在時(shí)域上,其特征是tw(脈沖寬度)和ts(上升時(shí)間/下降時(shí)間)。中間的圖形表示從傅里葉變換獲得的理論脈沖波形的頻譜。頻域上,隨著頻率的升高,振幅衰減,衰減斜率隨tw和ts而變化。最右邊的圖表顯示了當(dāng)脈沖ts變慢(增加)時(shí)頻譜的變化。當(dāng)斜率變化到-40db/dec時(shí),1/πts的頻率點(diǎn)降低,最終結(jié)果是振幅減小。簡單地說,當(dāng)ts變慢時(shí),頻譜振幅衰減。. a6 U0 w+ j3 J7 |; w: X& H
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因此時(shí)域信號邊沿越陡峭,頻域高次諧波頻譜能量越大。如上升沿的快速變化,產(chǎn)生的高次諧波能量,在EMC工程師眼里,都希望它盡快落到-40db衰減的范圍。改變的方式為增加電阻或者電容(加大tr)。如時(shí)鐘周期信號,增加RC,在滿足時(shí)鐘信號質(zhì)量要求的前提下,盡可能減緩信號的上升沿的變化速度。相應(yīng)我們可以總結(jié)出經(jīng)常遇到的EMC信號特點(diǎn):(1)ESD:上升沿tr波形一般會在0.5ns-1ns左右,達(dá)到GHz,高頻能量豐富,干擾強(qiáng)。(2)EFT:上升沿tr波形一般會在5ns左右,主要頻譜都在幾十MHz,更多的靠濾波解決。(3)Surge:上升沿tr波形一般會是us級別,主要頻譜能量在KHz,更多靠瞬態(tài)防護(hù)器件吸收,不是濾波。" f. V! w" U: h1 V- K
接下來再跟大家分享一些基礎(chǔ)的解決方案EMC主要是解決干擾問題,目前主要的手段有:屏蔽、濾波、接地等方案,本次主要分享的是濾波。
$ z; T& a9 ]" t9 n% Q6 T1 濾波器介紹3 v* B+ N- }; @7 f0 J! N0 n- Y+ r* h' {/ Y
濾波 (Wave filtering):是將信號中特定波段頻率濾除的操作,是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。如傳導(dǎo)、輻射超標(biāo),是某個電纜的對外傳導(dǎo)、輻射的,那就可以在敏感信號處進(jìn)行濾波。實(shí)際上,任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度(對信號最高頻率的限制)。頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個基本特點(diǎn)。而濾波器,則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來的工程應(yīng)用電路。濾波作用:切斷干擾沿信號線或電源線傳播的路徑,可與屏蔽共同構(gòu)成完善的干擾防護(hù)。
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2 濾波器重要指標(biāo)-插入損耗
5 j. W! R. w2 b% z# i插入損耗:插入損耗是衡量濾波電路濾波效果的指標(biāo),通常以分貝數(shù)或頻率特性曲線來表示。它是指濾波電路接入電路前后,電源傳給負(fù)載的功率比或端口電壓比。IL=10lg Po/P2 (dB)或 L=20lg VO/V2 (dB)其中 Po、P2、 Vo、V2分別表示濾波電路接入前后負(fù)載端的功率和電壓。3 V* H, V6 w7 {9 C  S9 q) t1 p  ^- @
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  E7 ^0 m; a# }" w: _式(1) 中,RL、和 RS,分別表示源阻抗和負(fù)載阻抗,a11、a12、a21、a22表示濾波器網(wǎng)絡(luò)的A參數(shù),更詳細(xì)的計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)《EMI電源濾波器的插入損耗分析》。這里舉個例子,如下圖的差模濾波方案,假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆,電源輸入1V,濾波電容的阻抗 1 歐姆,則未加濾波器前,V0=0.5V,加入濾波器后,V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.019V,則插入損耗=20lg0.5/0.019=28.4db。; V" o& |, U' A$ S5 d; l
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假設(shè)源端阻抗和負(fù)載阻抗均為 1 歐姆,則未加濾波器前,V0=0.5V,加入濾波器后,V2為濾波阻抗和負(fù)載阻抗并聯(lián)后與源阻抗串聯(lián)分壓即V2=0.33V,則插入損耗=20lg0.5/0.33=3.6db。根據(jù)公式和示例,可以知道 EMI 濾波器電路在不同的源與負(fù)載阻抗的情況下,濾波性能有很大的差異。在一般的濾波器產(chǎn)品說明書中,提供的插入損耗值都是在源阻抗和負(fù)載阻抗均為50歐姆的情況下得到的。% t) g9 H/ {/ h$ V! `4 ?+ u0 [

  b/ Z  Y' m0 }, F在實(shí)際使用中,濾波器的端阻抗隨著工作環(huán)境的變化而變化,因而對濾波器插入損耗的影響也很大 ,濾波電路也是如此。設(shè)計(jì)時(shí)要求濾波器的插入損耗越大越好,整改時(shí)可以根據(jù)超標(biāo)頻率選擇合適的濾波器。3 濾波器類型和選型特征
3 K6 o" t* z. [濾波器根據(jù)濾波頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻等,在EMC問題中,最常用的為低通濾波器。0 X. U$ C. B8 ]( q% ~, b
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低通濾波器常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦拢?strong>實(shí)際使用中推薦使用 PI 型或者 T 型濾波網(wǎng)絡(luò)。主要原因是根據(jù)插損的計(jì)算方法,在電感靠近低阻,電容靠近高阻時(shí)濾波效果最佳。而實(shí)際使用時(shí)往往不能準(zhǔn)確識別源端和負(fù)載端的高低組狀態(tài),所以采用PI型或者T型都能做到最佳匹配。
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舉例如下,在沒有經(jīng)過CL濾波前,電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V,加入CL濾波后,負(fù)載電壓為濾波電容上電壓的一半為0.25V,插損=20lg1/0.25=12db。
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: V4 B  W. c& c9 V  K1 ], |( S上例的基礎(chǔ)上,調(diào)換CL的位置,如下圖,在沒有經(jīng)過CL濾波前,電壓基本都在負(fù)載電阻上即1V,加入濾波后,負(fù)載電壓為濾波電容上電壓,為0.001V,插損=20lg1/0.001=60db。! M  ^- |3 ?" Q
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元器件沒有變,只是變換位置,濾波效果的差異很大,原理即:電容靠近高阻,電感靠近低阻才更有效。實(shí)際應(yīng)用選擇:在不知道源端和負(fù)載的阻抗高低的情況下,比較合理的就是pi網(wǎng)絡(luò)和T型網(wǎng)絡(luò)。針對低頻,通常采用電容+電感+電容濾波方式,高頻采用電容+磁珠+電容濾波方式。如PI型,不管ZS、ZL是高還是低,并聯(lián)電容后都是低,中間電感靠近低阻為有效狀態(tài)。4 濾波器案例:電源的EMC三要素分析
0 n, _+ y' y7 L& R0 N$ _對于EMC問題,我們在原理圖階段就要進(jìn)行濾波設(shè)計(jì),其要點(diǎn)就是從EMC的三要素出發(fā):干擾的源頭:降低強(qiáng)度敏感電路:提高抗干擾能力干擾耦合路徑:降低路徑效率下面以開關(guān)電源為例,分析其濾波設(shè)計(jì)方案。開關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)而迅速發(fā)展起來。由于開關(guān)電源工作過程中的高頻率、高di/dt和高dv/dt使得電磁干擾問題非常突出。如何降低甚至消除開關(guān)電源的 EMI 問題已經(jīng)成為開關(guān)電源設(shè)計(jì)師以及電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)師非常關(guān)注的問題。
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開關(guān)電源的干擾,既有共模干擾,也有差模干擾。對于差模干擾:其存在于L-N線之間,電流從 L 進(jìn)入,流過整流二極管正極,再流經(jīng)負(fù)載,通過熱地,到整流二極管,再回到N。在這條通路上,有高速開關(guān)的大功率器件,有反向恢復(fù)時(shí)間極短的二極管,這些器件產(chǎn)生的高頻干擾,都會從整條回路流過,從而被接收機(jī)檢測到,導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)。對于共模干擾:共模干擾是因?yàn)榇蟮嘏c設(shè)備電纜之間存在寄生電容,高頻干擾噪聲會通過該寄生電容,在大地與電纜之間產(chǎn)生共模電流,從而導(dǎo)致共模干擾。) ~3 J% I) R, X  U3 u

" Y- `9 U% O: {9 f根據(jù)干擾產(chǎn)生的原因和經(jīng)驗(yàn),低頻如150kHz-1.5MHz,以差模為主,1.5MHz-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz 以后高頻部分基本上是共模干擾為主。我們先以差模干擾為例展示干擾的源頭、耦合路徑和測試的敏感電路。從干擾源頭看,開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因,就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。& J$ Q# i: e3 m( z% H' P

/ Q/ w% @. i0 f: p0 g! Q從耦合路徑看,待測設(shè)備(EUT)的電源端口是干擾源,測試儀器為敏感電路,則從儀器的連接關(guān)系看,電源端口的干擾經(jīng)過AC頭接入了LISN的采樣電阻(50歐姆),再經(jīng)過測試儀器內(nèi)部的采樣電阻50歐姆,整個采樣電阻接近100歐姆。當(dāng)采樣電阻上的電壓超標(biāo),則傳導(dǎo)的干擾超標(biāo)。
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4 s2 y2 l- J: b# P, }: `% H# i進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為如下電路模型,來看干擾的通路。噪聲主要由 di/dt 引起,通過寄生電感,在火線和零線之間的回路中傳播,在兩根線之間產(chǎn)生電流 ldm ,不與地線構(gòu)成回路。
8 ^) @1 E  [! Y/ o) g* v4 }
- c8 I2 V6 w  \% l' O由 Vdm 驅(qū)動的 Idm 導(dǎo)致輸入 AC 端口差模干擾,LISN +儀器的采樣阻抗為 100歐姆,開關(guān)電源的接口沒有濾波時(shí),則很容易傳導(dǎo)測試超標(biāo),干擾都在敏感設(shè)備上(采樣電阻為高阻,VDM的ZC+ESR為低阻)。干擾電壓幅度為:Vdm:# S0 M8 j) s6 H# c. Q

4 [' B- H8 E+ R1 d這種情況下,針對電源口的EMC濾波就可以考慮電容方案,接口加差模濾波電容,C1通常為100nF~2.2uF的聚醋X2電容。+ o- i! ^2 @2 m) z; A

/ E* P3 X' d7 c0 RX電容,常用做抑制電源電磁干擾,一般安裝到電源火線與零線之間,而且起到的作用都是差模濾波X1電容耐電壓更高,在一些更高電壓的電路中要使用X1安規(guī)電容,X1 >2.5kV ≤4.0kV ;X2 ≤2.5kV。! z% ^( s, @' q% e6 R
+ p: l, L9 P& E3 P; P  K! F$ ?: }

7 Z5 g% q4 i6 r; H電容容值選型原則:根據(jù)電容的阻抗-頻率特性曲線進(jìn)行選型,在需要濾波的頻點(diǎn)上,讓電容的阻抗盡可能小,即讓干擾電流更多的流向大地,而不是流經(jīng)測試儀器的采樣電阻。因此根據(jù)差模干擾為低頻干擾,頻段在 150kHz-1.5MHz,可選100nF~2.2uF電容,再結(jié)合耐壓確認(rèn)電容型號。
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假設(shè)傳導(dǎo)測試時(shí),超標(biāo)比較多,則考慮PI型濾波器。L1,L2,C1,C2 構(gòu)成低通 PI 型濾波器,L1、L2通常為100 ~300uH鐵粉芯電感,也可由共模電感的漏感形成,C1,C2通常為 100nF~ 2.2uF 的聚酯X2電容。
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' G$ P/ n3 v4 j4 M( v+ p4 結(jié)論
6 P$ ~! Y: y4 ~, f, O解決EMI問題從源頭考慮進(jìn)行濾波,效果更好,如開關(guān)電源,從端口進(jìn)行傳導(dǎo)濾波。設(shè)計(jì)濾波時(shí),需要針對傳導(dǎo)干擾的特性,有針對性進(jìn)行濾波器件選擇。并且遵循電容靠近高阻,電感靠近低阻的原則,才能獲取較好的濾波效果。通常在傳導(dǎo)測試中,首先分析干擾性質(zhì),通常低頻超標(biāo)的濾波方案,主要電容和PI濾波電路,也可以考慮差模電感,在開關(guān)電源設(shè)計(jì)前需要增加差模濾波電路。/ e# Y0 A9 _4 d  Y$ m$ O
下面介紹數(shù)字IC電源、時(shí)鐘、接口相關(guān)的濾波設(shè)計(jì)1 數(shù)字電源濾波
/ u2 X& G9 Q8 d! a6 k0 E本文的數(shù)字電源特指給數(shù)字芯?供電的電源,通常把較高的電壓降低到1.8V/3.3V等電壓。數(shù)字電源往往電壓?較低,并且電源引腳較多,因此?般使?電容濾波。電容濾波?/?容值配合使?,?電容儲電(uF級別),?電容?頻濾波,每個電源管腳?個,容值由濾波頻率決定(?般?頻取1nF、100pF,低頻0.1uF)。儲能電容與高頻電容配合使用,下圖中間波?是反諧振點(diǎn),由電路寄生電容&電感諧振導(dǎo)致,此頻率附近的濾波效果最差,如果造成了影響,就需要考慮增加該頻率附近的電容。
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+ v) \; }3 N% i在數(shù)字系統(tǒng)中,電源分配系統(tǒng)(PDS,Power Distribution System)的質(zhì)量直接影響著信號的質(zhì)量。電源噪聲表現(xiàn)為同步開關(guān)噪聲(SSN)、地電彈噪聲(GroundBounce)回流噪聲等,它直接影響著系統(tǒng)的噪聲容限和信號的時(shí)序。 電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制電源的目標(biāo)阻抗。設(shè)計(jì)主要考慮的問題有:PCB 疊層方案、濾波電容的選擇和放置、電源分割、連接器的選擇等等。PCB 板上的電源分配系統(tǒng)由電源模塊、電源地平面、各種電容組成。它們分別在不同的頻率范圍內(nèi)作出響應(yīng): 電源模塊響應(yīng)的頻率范圍大約是從直流到 kHz; 大的電解電容提供電流并在 kHz 到 MHz 的范圍內(nèi)保持較低阻抗; 高頻陶瓷電容MHz 到百 MHz 的頻率范圍內(nèi)保持較低阻抗; PCB 板上的電源地平面對則在 100MHz 以上發(fā)揮重要作用;
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尺寸小的電容 (如 0603 封裝)寄生電感較小,容值也小,因而其諧振頻率較高,在高頻情況下阻抗較低,常被用來減小 EMI 和回流噪聲。尺寸較大的電容(如電解電容),可以提供比較大的電流,然而其諧振頻率不高,這使得它的應(yīng)用受到很多限制。 為了得到比較大的電容和較高的諧振頻率,可以把幾個小電容并聯(lián)在一起 (N 個電容并聯(lián)后,其容值為 NxC,電感為 L/N,諧振頻率不變,ESR 減小為 R/N)。
$ N8 a7 ]: y, r8 F2 s案例:SDRAM電源濾波不?,EMI測試不通過。某產(chǎn)品進(jìn)行歐洲 CE 認(rèn)證,EN55022 空間輻射項(xiàng)目測試超標(biāo),導(dǎo)致產(chǎn)品不能認(rèn)證上市。分析頻譜發(fā)現(xiàn)主要是240、360、480、600、720MHz超標(biāo),超標(biāo)頻率是120M的倍頻?擾源:數(shù)字電路時(shí)鐘(SDRAM 120MHz)。耦合路徑:外接線纜(主要通過電源或地耦合)、PCB?線環(huán)路。5 s( J$ I2 D" R5 P- b0 ~# G) [3 v0 ^
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    解決問題的主要思路是降低干擾源影響,同時(shí)在接口增加濾波電路,減弱耦合途徑的效率。 接口處理:接口是主要耦合路徑,因此信號端口需要進(jìn)行濾波,主要是磁珠 +電容方式,磁珠選取 600R/100M,電容選擇了 200PF。原理圖改進(jìn):SDRAM 時(shí)鐘是干擾源,在匹配電阻后增加了對地濾波電容,取 10PF 左右(根據(jù)干擾頻率決定)。同時(shí)增加電源管腳電容,容值取220pF。PCB 改進(jìn):SDRAM 與 CPU 接口連接走線跨分割,地環(huán)路面積大,改進(jìn)后的電容靠近電源引腳放置,IC下方地平面完整。2 時(shí)鐘濾波設(shè)計(jì)# @& R2 g" C& h' q$ }  d5 L
時(shí)鐘信號也是干擾常見的源頭之一,下圖分別是時(shí)鐘信號對時(shí)域和頻域產(chǎn)?的影響:

" e0 _9 _: j1 P% M  k
$ Z8 B3 y( e% Z: W( m8 L
1 |. |. V  j9 O( d/ c% S
6 H" {0 _/ r0 V* Y/ V% Q* y& F

! x; Z: m9 Y- d  U5 j) \, [周期信號的傅里葉級數(shù)展開式為:7 x/ |: P! ~! E# P

2 q" b' b8 x* Q, z- x: q. f從公式中可以看到周期信號會有基頻的奇次諧波分量(如1 3 5 ...),這是因?yàn)榕即沃C波剛好被0相乘了。但我們有時(shí)候也會看到偶次諧波,這往往是因?yàn)?strong>信號的上升/下降時(shí)間不一致,導(dǎo)致在頻譜中看到偶次諧波,下圖是利用LTspice完成的仿真對比。
. a$ |! y8 e* w1 B8 j: O/ z( R
5 ^( D9 |2 t$ a2 T! J3 \( X/ M
$ l3 P/ A; F$ Z, t+ b
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6 o# Q6 a1 J$ |' u) v. H
    下圖是有源晶振濾波電路的一個簡單例子:! p% |6 m1 ^; N

" k9 H) Q! `% T( o) O* w晶振的供電使用了磁珠+電容的組合,輸出時(shí)鐘增加了RC濾波。電阻通常采取 22R/33R/47R,有些低頻時(shí)鐘可以用磁珠替代。電容根據(jù)時(shí)鐘頻率選取,頻率越高,電容值越小,一般100M 時(shí)鐘選取 5pf 電容濾波,50M 時(shí)鐘可以選取 22pf 電容濾波。 另外,建議設(shè)計(jì)時(shí)單板上 CLK 信號預(yù)留阻容濾波設(shè)計(jì),最差情況是電容不焊接,電阻采取 0 歐姆替代。 3 接口濾波設(shè)計(jì)) f, Z4 q& V3 B5 i  g7 r
電子產(chǎn)品經(jīng)常通過電纜對外通信,但電纜往往帶來電磁兼容問題,主要原因是電纜可以傳導(dǎo)電磁干擾,同時(shí)可以作為天線,接收和發(fā)射電磁干擾。 電子產(chǎn)品的電纜長度從幾十厘米到幾公里不等,可以在特定的頻率進(jìn)行發(fā)射與接收電磁干擾信號。 當(dāng)天線的長度接近無線電信號波長的 1/4 時(shí),天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率較高,受到的干擾也較大。 頻率和波長的關(guān)系(λ=c/f)如下:

3 ?8 W+ X) q/ G& ~- ?( d6 m" h4 }0 c) p1 b* f$ P3 o1 F8 z6 ?

& Y) C7 {$ \. l0 ~4 p! ?9 V
& v4 m  J6 |, o* Y

  `  F3 ~& [1 q8 ?1 L電纜干擾定位: 當(dāng)遇到產(chǎn)品 RE 測試超標(biāo)問題時(shí),直接拔掉電纜的方式是最方便快捷的。如果發(fā)現(xiàn)確實(shí)是電纜導(dǎo)致超標(biāo),可以嘗試在電纜上施加屏蔽接地等措施以外,另外在接口處采取濾波措施也是重要的手段。 1)針對內(nèi)部干擾,通過電容等方式形成干擾信號的低阻抗通路,阻止其跑到外部。
' G* D% p/ K( m+ {3 b' j. ]0 y: i) W- g! [# |; C
2)針對外部干擾,一邊是使用磁珠形成高阻抗通路,一邊是將外部干擾通過機(jī)殼泄放到地,阻止其進(jìn)入內(nèi)部,右圖是最完整的方案。

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5 V( n4 h0 y- D1 K1 J1 N# P
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通信接口一般分為非差分接口差分接口/ `/ z8 Y  H8 `/ R5 P
非差分接口通過公共地回流,比如232、PS2、VGA信號,通常使用電容+磁珠+電容的方式進(jìn)行濾波(高速時(shí)使用串阻代替磁珠),通常不使用共模電感。差分傳輸的特征是兩根線束傳輸信號,兩個信號振幅相同,相位相反,電流?向相反。典型的差分接?:485、CAN、HDMI、USB、LVDS、以太?等。通常采用共模電感濾波(例如USB、HDMI等都有專用的共模電感),中低速可以使用電容。備注:磁珠:確保對正常信號?作頻率的阻抗電感:濾波頻率KHz?100MHz,電感的額定電流通常會較?。
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