抑制和降低便携式设备电磁干扰(EMI)的新技术与应用

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  <p class="2b">1、前言</p><p>今天在许多便携式设备中，电磁干扰(EMl)成了一个越来越严重的问题。当传统的抑制或降低EMI技术己失去了魅力或无济于事时，则造成了高速技术所产生的EMI电平会日益增长。这就是说，电磁环境的复杂会对便携式设备又提出了更高的要求，于是抑制和降低EMI的新技术应运而生。这也是本文所介绍与分析的主要内容，有必要了解一下电子、电气设备EMI的一些基本概念。</p><p>*EMC(Electro magnetic compatibility，电磁兼容)。EMC是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按照设计要求正常工作的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要的技能，包括以下三个方面的含义。</p><p>*EMI(Electro magnetic interference，电磁干扰)，即处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，不产生超过相应标准所要求的电磁能量，相应的测试项目有：电源线传导骚扰(CE)；信号、控制线传导骚扰(RE)；幅射骚扰(RE)；谐波电源测量；电压波动和闪烁测量。</p><p>*EMS电磁抗扰度，即设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰相应测试项目有：静电放电抗扰度(ESO)；电快速瞬变群抗扰度：浪涌；幅射抗扰度(RS)；传导抗扰度(CS)；电后跌落与中断(DIP)。</p><p>*电磁环境，即设备或系统的工作环境。</p><p>从上可知，EMI可分为传导干扰和辐射干扰两种。由于所有的EMI辐射都是由电流产生的，因此这两种干扰彼此相关。但并不是所有的电流都会产生辐射。因此，首先要分析和抑制辐射干扰问题，然后再处理传导干扰问题。对于这两种干扰来说，辐射干扰更难预测和抑制。因此它是造成大多数非主动辐射产品EMI测试失败的主要原因。在此，我们将着重讨论便携式设备中如何解决抑制和降低音频/视频接口的辐射干扰问题。</p><p class="2b">2、便携式设备内部和外部产生的EMI(电磁干扰)与影响</p><p>要应用降低EMI的新技术，很重要的是弄清EMI产生原因及带来的危害。</p><p>众所周知，当电信号处于开关状态时，会产生EMI，一旦电信号状态发生变化，电流流动要产生电磁场。所产生的电磁场可通过不同途径与其它电磁信号相互作用。这些产生EMI叫互作用可能发生在设备内部或外部。其电磁干扰信号传输途径见图1(a)(b)所示。</p><p><img height="197" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_1ab&#46;gif" width="470" /></p><p>*外部EMI能够扰乱许多设备的运行，其中包括音频设备、电视接收机、内置医疗设备和无线控制系统。由于这些EMI可能产生严重的后果，如今国际上规定了相类似的适用于全世界的要求。如果不能按照这些要求去阻止超过EMI限值的产品销售，就可能会损坏其它产品。</p><p>*内部EMI会产生更加错综复杂的后果，可能造成设备内部其它信号无法预测的特性改变。这种EMI会导致难以诊断和修复的间歇发生的可靠性问题。如果设备包含可能被EMI严重破坏的无线整机电路，内部EMI将是一个更加严重的问题。</p><p class="2b">3、音频/视频接口的EMI/EMC抑制</p><p>可以采用多种方法来满足EMI/EMC标准中所限定的条件。但这些方法大都可以归入屏蔽和滤波两大类。在实际产品中，这些方法都要与特定的应用相结合，实现全面的EMI抑制解决方案。例如，在大多数产品中，都会用一个金属壳体来屏蔽辐射，同时利用LC或RC滤波器来降低输入/输出线的传导干扰。此外，还可以使用一个抖动时钟来扩展频谱范围，以降低特定应用的滤波或屏蔽要求。</p><p>现代音频/视频模拟接口的尺寸不断减小，而性能期望值却很高，这对设计提出了非常严峻的挑战。</p><p>在过去，可以采用大型外部滤波器和/或屏蔽电缆来解决这些问题。但是这些方法不仅增加了成本，而且还影响了产品性能和增大了产品尺寸。随着这些产品的尺寸不断缩小，演变为当前的音频/视频播放器，EMI/EMC解决方案必须在保持甚至改善系统性能的同时减小产品尺寸。为实现这一目的，开发出了诸如MAX951l图形视频接口和MAX9705D类音频放大器等小型器件，这些器件能够提供优异的EMI性能。首先，我们应该了解音频/视频接口设计中必须解决的各种EMI问题，然后给出解决这些问题的方法。</p><p class="2b">3&#46;1音频仅及其EMI</p><p>音频接口要在不产生EMI的情况下获得效率和性能，要解决一系列不同的问题。在便携式应用中，我们想要最大限度延长电池寿命，而不期望效率低下的设计产生热量，因此D类放大器得到了广泛应用。问题是D类放大器使用PWM来实现高效率，这与开关电源很相似。使用非屏蔽扬声器连线接至输出端时，连线会像天线一样辐射EMI。尽管时钟频率(典型值为300kHz至1MHz)高于音频频谱，但它是一个具有大量谐波分量的方波。用来滤除该谐波分量的滤波器尺寸比较大，而且成本又高。在膝上型电脑等便携应用中，由于尺寸原因，这不是一个可行的解决方案。</p><p>一般的设计拓扑无法同时解决这两个问题。为使输出音频功率达到最大，便携式应用采用桥接负载(BTL)的连接方式，此时扬声器的两根连线都得到有效驱动，见图2所示。在D类放大器中，利用比较器监视模拟输入电压，将输入电压与一个三角波进行比较。当三角波的幅度高于音频输入电压时，比较器翻转，同时反相器产生互补的PWM波型来驱动BTL输出级的另一侧。由于采用了这种BTL拓扑，输出滤波器实际上需要两倍于单端音频输出的元件数量：两个电感(Ll和L2)和两个电容(Cl和C2)。这两个电感需要处理峰值输出电流，因此尺寸都比较大，并占据了大部分空间。</p><p><img height="405" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_2&#46;gif" width="442" /></p><p>D类放大器可利用扬声器的线圈电感和分立电容构成滤波器，从而省掉额外的滤波器。由于扬声器连线仍会辐射相当数量的能量，这种方式仅限于内部扬声器。有一种做法是改变开关过程，使得放大器保持高效的同时又能减少EMI，从而只需要一个小型滤波器。要实现这一目的，可以调制时钟频率，以降低基于每赫兹带宽的能量。这种方法称为时钟扩谱调制，或时钟频率抖动。</p><p class="2b">3&#46;11抑制和降低EMI的新技术</p><p>对抑制和降低EMI的技术可有二种，其一是通过接地、屏蔽和滤波的方法，但对于高速与频率高的电子系统或便携式设备而言，就显得很传统了。其二就是改变NRZ测试码型功率谱的频率或者幅度与频谱扩散新技术，值此作重点介绍。</p><p>*通过改变NRZ测试码型的功率谱的频率或者幅度降低或消除EMI。</p><p>在数字通信系统中的EMI效应可以通过改变NRZ测试码型功率谱的频率或者幅度来降低或消除，通过改变数据率或码长可以实现这种改变。</p><p>随着数据速率增加，频谱零点间隔变大。而且，各条谱线的幅度降低，一部分功率被推到更高的频率。由于功率被扩散到更宽的频率范围，留在感兴趣频率的功率就更少了。实现这种效果的办法之一便是在原始数据流中加入额外的比特，等效增加了数据速率。</p><p>码长在EMI中也扮演了重要的角色，因为谱线幅度和间隔随着码长而变。较长的码降低了谱线幅度和间隔，而更短的码会增加谱线的幅度和间隔。为减少特定频率上的EMI，可以改变码长，将谱线移出特定的敏感频段。另外，可以使用长码来降低EMI的幅度。</p><p>*频谱扩散(SD)</p><p>通过展宽信号频谱来减少EMI的需求，根据这个基本概念加以拓展的主要优化技术被称为优化频谱扩散(OSD)。</p><p><img height="277" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_3&#46;gif" width="467" /></p><p>OSD极大地减少了EMI，而没有受频谱展宽时钟(SSC)抖动问题的困扰。图3为所示的典型辐射频谱扩展种技术的效果，采用MAX9705EVIT(12英寸长的非屏蔽双绞线)得到的MAX9705辐射数据，展示了扩谱调制作用。</p><p><img height="289" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_45&#46;gif" width="330" /></p><p>图4表示了SD的基本概念。初始源信号与数字噪声源的输出相乘。合成信号被送往终端，在那里与一个相同的噪声源相乘，产生出一个原始信号的精确复制品。</p><p>图5显示了系统里的信号。因为乘法运算是对称的，恢复后的源信号和初始源信号是相同的。低的EMI信号的全部边缘与源信号的边缘都同时出现在相同的位置。因此，恢复后的源信号其边缘与原来的边缘精确地出现在同一时间。</p><p>OSD采用了精细分析的算法来优化噪声源，以致于合成信号具有非常有效的扩展频谱，导致EMI的峰值非常低。这个技术能够使EMI降低30dB(1000倍)或更多&#46;</p><p class="2b">3&#46;12有源辐射限制方法消除EMI及其应用</p><p>*有源辐射限制方法提出</p><p>对于只提供扩谱调制功能的器件，当输出功率高于数百毫瓦时，超过几英寸长的扬声器连线就会辐射太多的能量。此时增加时钟频率也于事无补，随着频率的升高，D类放大器的输出频谱会降低。然而，扬声器的连线会变得像天线一样高效，从而抵消了任何性能上的改善。</p><p>为进一步改善EMI性能，就要求改变D类放大器自身所采用的PWM波形。可采用一种称为有源辐射限制的特定方法来实现这一点。有源辐射限制电路设置放大器的最小脉宽，而图2中的设计不对最大边界进行限制。再结合交叉切换、上升/下降时间以及时钟频率的控制，则可以将工作过程中产生的功率谱限制在一个给定的输出功率电平下。这样做的目的就是将频谱降低到某一水平，使得设备在无任何外部滤波以及接有长达24in外部扬声器连线的情况下，其EMI特性仍能满足辐射限制要求。</p><p>*有源辐射限制方法应用</p><p><img height="381" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_6&#46;gif" width="456" /></p><p>以MAX9705D类放大器为例，说明所采用的有源辐射限制技术，见图6所示。通过精心设计的驱动电路和零死区时间控制，MAX9705D类放大器的效率可超过85%。而独特、专有的扩谱调制模式展平了频谱分量，降低了连接电缆和扬声器产生的EMI辐射。在立体声或多声道应用中，同步输入可将所有放大器的时钟频率锁定在800kHz至2MHz通用时钟范围内，从而最大程度地降低互调，否则多个独立时钟源会产生互调。如Maxim公司的D类音频放大器结合了两项独特的技术：扩谱调制和有源辐射限制。可以在“无滤波器”的情况下连接长达24in非屏蔽扬声器连线，而辐射干扰仍然保持在FCC第15部分规定的EMI限制范围之内，见图7所示。</p><p><img height="219" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_7&#46;gif" width="403" /></p><p>除了EMI之外，音频性能同样非常出色，THD+N在1W时为0&#46;02%，在2&#46;3W时增至l%，SNR为90dB。输入可以是差分输入，也可以是单端输入，提供+6dB、+12dB、+15&#46;6dB或+20dB固定增益，可满足任何应用(图7)。关断模式下功耗降至最低。此外，同步输入允许MAX9705提供单声道、立体声或者多声道高性能音频，在连接外部扬声器而无滤波器的情况下仍能满足EMI辐射要求。</p><p class="2b">3&#46;2视频EMI及其有效降低</p><p>*视频EMI计算机普遍采用的视频格式，也就是我们所说的“图形”，和电视的视频形式是不一样的。计算机视频包括红、绿和蓝色(R、G、B)模拟视频信号，以及行、场同步和DDC组成的逻辑信号，所有这些信号都具有快速上升/下降时间。视频连接器通常采用高密度超微D型连接器，用来连接显示器和电脑。虽然这个方案结合了视频信号屏蔽(同轴)和共模扼流圈(CMC)等措施来降低辐射和传导EMI，但还是需要增加滤波环节，才能够确保满足EMI要求。然而在图形视频中却不能这么做，因为图形视频的目的是在尽可能高的分辨率下重现“开”、“关”像素的棋盘状图案。因此，为实现最佳的显示性能，我们希望带宽越大越好。但在实际应用中，必须权衡考虑EMI和视频性能，因此只好牺牲视频带宽。对于多信号视频接口，多种因素需要权衡考虑。</p><p><img height="239" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/lwd_0701_8&#46;gif" width="487" /></p><p>MAX9511可以实现所有这些功能。如图8所示，分别给出了高分辨率图形卡输出采用MAX9511与采用LC滤波器方案以及无滤波原始输出的EMI特性。</p><p>*有效降低EMI解决方案</p><p>MAX9511图形视频接口为RGB视频提供了一个匹配的、三通道可调EMI滤波器，分辨率范围涵盖VGA至UXGA，通道间偏斜误差小于0&#46;5ns。通过改变单个电阻(Rx)的阻值来实现摆率调整功能。电路中，通过I2C控制的电位器MAX5432可提供32级滤波器控制。然而，在大多数应用中仅需要3级或4级控制。在最终的EMI/EMC测试中，无需任何机械或电气更改，就可以改善一个产品的EMI性能。</p><p class="2b">4、结束语</p><p>扩谱调制和有源辐射限制(以MAX9511和MAX9705为例)是EMI/EMC有效控制的先进技术。将这些器件应用于产品当中可以有效降低EMI。不必像以前那样依靠大尺寸外部滤波器和屏蔽等会增加成本和尺寸的方法，有效保证了电磁兼容性和性能。</p>

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图图 啊  这个文章从哪里转的?

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大虾：
&nbsp;  请问哪可以下到带图原文，急需这资料， [s:9] ，