DSP應用系統電磁兼容的設計

1　引言

　　隨著(zhù)DSP芯片的迅猛發(fā)展,其運算速度和處理能力不斷提高,使得DSP系統的成本、體積、重量及功耗都有很大程度的下降。但與此同時(shí),周?chē)h(huán)境的電磁干擾源越來(lái)越多,使得DSP系統和產(chǎn)品設計人員也面臨著(zhù)更加嚴峻的挑戰,即如何抑制日益嚴重的電磁干擾(EM I) ,提高系統性能,使各種電氣及電子設備達到電磁兼容(EMC) 。

　　2　電磁兼容設計

　　2. 1　電磁兼容

　　電磁兼容(EMC)是指在有限的時(shí)間、空間和頻譜資源等條件下,各種用電設備可以共存并不至于引起性能降級的一門(mén)學(xué)科。而電磁兼容性通常是指設備或系統在其電磁環(huán)境下能正常工作,并且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

　　電磁干擾( EM I)是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。形成電磁干擾必須具備三個(gè)要素, 即: 電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備。三者關(guān)系如圖1所示。

　圖1　EMI的三要素

　　任何形式的自然現象或裝置所發(fā)射的電磁能量,使生物受到損傷或使其他設備、系統發(fā)生電磁危害,從而導致性能下降或故障,這種自然現象或裝置就稱(chēng)為電磁騷擾源。如光照、天電噪聲、電子噪聲、發(fā)電機等都屬于電磁騷擾源。

　　耦合途徑是指傳輸電磁騷擾的媒介或途徑。

　　敏感設備是指當受到電磁干擾時(shí),會(huì )受到傷害的生物及會(huì )發(fā)生電磁危害,導致性能下降或發(fā)生故障的器件、設備或系統。許多器件、設備或系統既是敏感設備又是產(chǎn)生干擾的電磁騷擾源。

　　2. 2　電磁兼容設計的目的

　　電磁兼容性設計的目的:是使電子設備或電子系統在預期的電磁環(huán)境中實(shí)現電磁兼容。即要求在同一電磁環(huán)境中的設備或系統都能正常工作又互不干擾,達到“兼容”的狀態(tài)。滿(mǎn)足電磁兼容( EMC)有以下兩方面的規定:

　　(1)能在預期的電磁環(huán)境中正常工作,無(wú)性能降低或故障;(2)對該電磁環(huán)境來(lái)說(shuō)不是一個(gè)干擾源。如果一個(gè)DSP系統符合以下條件,則該系統是電磁兼容的。

　　·對電磁騷擾不敏感。

　　·對系統自身不產(chǎn)生干擾。

　　·對其他系統不產(chǎn)生干擾。

　　為了實(shí)現電磁兼容,必須從形成電磁干擾的基本要素出發(fā),從分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備入手,采取有效的技術(shù)措施,抑制騷擾源、減弱或消除騷擾的耦合途徑、降低敏感設備對騷擾的響應。

　　2. 3　電磁兼容設計的基本內容

　　電磁兼容設計可分為系統間和系統內兩方面加以考慮。系統間的電磁兼容設計目前已經(jīng)研究的較多,本文將主要針對系統內的電磁兼容設計加以討論。

　　通常系統內電磁兼容設計可分為五部分:有源器件的選擇和印制電路板( PCB )的設計、布線(xiàn)、濾波、接地及屏蔽等。如圖2所示。

圖2　系統內EMC設計

　　2. 4　電磁干擾的傳輸途徑

　　電磁騷擾源與敏感設備的耦合途徑有:傳導、感應、輻射或三者的組合。

　　傳導耦合是電磁騷擾源和敏感設備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合的方式很多,可以通過(guò)電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、接地導體等進(jìn)行耦合。防止傳導耦合的方法是避免導線(xiàn)感應噪聲,采取適當的屏蔽或將導線(xiàn)分離,或在干擾進(jìn)入敏感電路之前,用濾波的方法將其濾除。

　　感應耦合是電子元件(例如繼電器、變壓器、電感器等)及導線(xiàn)之間的主要耦合方式?？煞譃殡姼袘詈虾痛鸥袘詈蟽深?lèi)。對這兩類(lèi)耦合可以采用加屏蔽、隔離或改變騷擾源和敏感設備的相對位置的方法加以抑制。

　　輻射是騷擾傳輸的另一種方式,包括天線(xiàn)、電纜、機殼之間產(chǎn)生的干擾。

　　通常,一個(gè)設備或系統中存在諸多的耦合途徑,一般采取抑制騷擾源、減小騷擾源和敏感設備之間的耦合、降低敏感設備對騷擾源的靈敏度來(lái)設計系統,達到電磁兼容的要求。

　　3　系統內EMC設計中采取的措施

　　3. 1　有源器件的選擇和PCB的設計

　　在數字電路特別是高速數字電路設計中,有源器件的正確選擇和印刷電路板( PCB)設計對防止電磁干擾( EM I)是至關(guān)重要的環(huán)節。

　　在器件的選擇過(guò)程中必須注意有源器件的固有電磁敏感度特性和電磁騷擾發(fā)射特性。*價(jià)敏感器件的重要參數有靈敏度和帶寬,靈敏度越高,帶寬越大,抗擾度越差。電子器件的電磁騷擾發(fā)射也是應該注意的,應盡量避免或降低對其他器件或系統產(chǎn)生的干擾。

　　在PCB板設計中,應充分考慮板的結構、器件的布局、線(xiàn)路安排及濾波等技術(shù)。以下是一些值得參考的技巧:

　　·電路中的電流環(huán)路應保持最小

　　·使用較大的地線(xiàn)平面以減小地線(xiàn)阻抗

　　·信號線(xiàn)和回線(xiàn)應盡可能接近

　　·電源線(xiàn)和地線(xiàn)應相互接近

　　·在多層板設計中,電源面和地平面應當分開(kāi)

　　·采用合適的布線(xiàn)寬度以增加高頻阻抗和降低電容耦合

　　·數字地、模擬地等應相互分離

　　·采用多點(diǎn)接地降低高頻地阻抗

　　·增大相鄰激勵線(xiàn)跡的間距減小串擾

　　·盡量減小時(shí)鐘信號環(huán)路面積

　　·高頻線(xiàn)路和時(shí)鐘線(xiàn)要短并盡可能直接連接

　　·敏感的線(xiàn)路不要與傳輸高頻大電流開(kāi)關(guān)轉換信號的線(xiàn)路并行

　　·不要有浮空數字輸入,以防止產(chǎn)生開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作和噪聲