干掉高速數字接口中EMI的七種武器

小尺寸且低成本的高速串行(HSS)接口對那些必須要體積小、功耗低、重量輕的移動(dòng)設備尤為可貴。當移動(dòng)設備必須與遠程網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)，會(huì )發(fā)生電磁干擾(EMI)，因為現代HSS接口使用的數據速率往往高于移動(dòng)設備所使用的無(wú)線(xiàn)通信頻率。

電磁科學(xué)告訴我們(根據麥克斯韋方程)：電子移動(dòng)時(shí)，一定會(huì )產(chǎn)生射頻信號。在設計時(shí)，可采用七種主要技術(shù)管理EMI，它們是：隔離、信號幅值、偏移范圍、數據速率、信號均衡、壓擺率控制和波形整形。這些技術(shù)各有不同功用，接下來(lái)我們將逐一討論。

隔離

物理隔離可能是最顯而易見(jiàn)的技術(shù)。對射頻信號來(lái)說(shuō)，如果我們能將其“屏蔽”，那它就不會(huì )干擾任何其他信號。雖然隔離永遠不會(huì )盡善盡美，且在蜂窩或無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)頻率，實(shí)際的隔離分貝值在20~40dB之間。達到這種水平的隔離對解決EMI問(wèn)題通常必不可少。因此，仔細測量IC封裝和PCB布局可提供的隔離非常重要。

信號幅度

降低接口信號的幅值肯定會(huì )降低EMI，但效果不大。若信號幅值降低一半，EMI僅降低6dB。這可能足以擺脫一個(gè)閉鎖問(wèn)題(close problem)，但該方法也同時(shí)降低了接收器裕度，并可能導致接口錯誤?；诖?，最好是將其作為應對EMI問(wèn)題的最后手段。

漂移和平衡

漂移是差分信號的兩個(gè)分量間的時(shí)間偏移。平衡是差分信號兩個(gè)分量間的幅度匹配。這兩個(gè)參數基本由接口驅動(dòng)器電路決定，且最好將其一起分析。如圖2所示，當信號平衡在10%以?xún)?，與漂移造成的EMI影響比，信號平衡的確切值顯得沒(méi)那么重要。這意味著(zhù)，從EMI的角度看，設計接口驅動(dòng)電路時(shí)，盡量減少漂移遠比致力幅值平衡事半功倍。

圖2：信號平衡和漂移的組對比。該圖表明，管理漂移比得到一個(gè)非常閉合的信號平衡要重要得多。甚至在2%的UI漂移時(shí)，信號平衡誤差高達10%的影響也微不足道。僅當漂移百分百為零時(shí)(一個(gè)不太可能的情況)，信號平衡才變得重要。

數據傳輸速率

數字信號的射頻頻譜具有不同特性，從EMI的角度看，最重要的是該數據速率和其整數倍速率的頻譜零值。圖3，清楚地展示了這些頻譜零值。

這些零值獨立存在于任何信號濾波。通過(guò)改變數據速率，而非將頻譜零值移到一個(gè)射頻接收器頻帶附近以除去進(jìn)入接收器的EMI，是種切實(shí)可行的選擇。對必須識取多個(gè)衛星發(fā)回的極其微弱信號的GPS接收器來(lái)說(shuō)，這尤為重要。圖3顯示了這種用于幫助保護GPS接收器的技術(shù)，數據速率從1.248Gbps(圖3a)變?yōu)?.456Gbps(圖3b)。

(a)

(b)

圖3：改變接口數據速率會(huì )移動(dòng)頻譜零值。這是無(wú)需任何濾波、能降低特定頻帶EMI的一種特別有效的方法。

壓擺率

接口攜帶的所有必要信息位于主譜瓣。頻譜旁瓣攜帶數據波形變換信息，而非數據本身。對因旁瓣(這些旁瓣頻率高于數據速率)能量產(chǎn)生的EMI來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)減少每個(gè)波形變換的壓擺率來(lái)抑制。這么做之所以有效，是因為意外的射頻信號的總帶寬不由數據速率掌控，而是由數據波形的最快變換(邊沿)決定的。

圖4a(頂部)說(shuō)明了這種技術(shù)確實(shí)影響到接口信號的“眼圖”。雖然完全睜開(kāi)的眼的寬度變窄了，但眼頂部和底部間的分離沒(méi)受影響。這是使用該過(guò)濾技術(shù)必付的代價(jià)。

請注意：擺率控制僅降低了旁瓣幅值。對主瓣的任何影響都可以忽略不計。這有利有弊：好處是，這意味著(zhù)，擺率控制并不會(huì )稀釋數據內容。壞處是：僅當干擾頻率來(lái)從主瓣時(shí)，會(huì )使該技術(shù)無(wú)效?；诖嗽?，如采用M-PHY的MIPI Alliance DigRFSM等應用，人們傾向使用每個(gè)都工作于較低數據速率的多條信道，而非一條工作于較高數據速率的信道。

(a)

(b)

圖4：壓擺率控制對差分信號的頻率較高旁瓣的影響：頂部)眼圖的邊緣變換時(shí)間定義;底部)與a圖顯示的變換相應的頻譜。

波形整形

實(shí)施壓擺率控制的直接方法是調整電流源充放電電容。這就產(chǎn)生了如圖3及下面圖5a中所示的直線(xiàn)變換。其它波形形狀也確會(huì )影響EMI值，結果有好有壞。例如，圖5b展示了由簡(jiǎn)單RC濾波所得到的指數波形的效果。這里，EMI其實(shí)變得更嚴重。原因是，在任何變換開(kāi)始時(shí)，指數波形都形成一個(gè)尖角，即使任何變換的結尾是光滑的。但在變換終點(diǎn)，侵損已經(jīng)發(fā)生。

圖5c展示了當所有的尖角被從接口波形中除去，頻譜鉗限性能大大改善了。除去尖角是波形整形的首要目標，所以，有時(shí)也將其稱(chēng)為波形曲率限制。

(a)

(b)

(c)

圖5：具有不同波形形狀的信號變換的EMI信號的頻譜變化：a)線(xiàn)性變換，b)指數變換，和c)濾波后的波形。指數變換實(shí)際上抑制EMI的能力最差。

技術(shù)組合拳

所有的EMI管理技術(shù)始于最大化物理隔離。除隔離外，取決于接口標準化委員會(huì )遇到的具體問(wèn)題，會(huì )采用不同的技術(shù)。下面介紹來(lái)自于公布的MIPI標準的兩個(gè)例子。

MIPI聯(lián)盟的M-PHY規范是個(gè)使用低幅值差分信號的HSS鏈接。由于數據傳輸速率高于許多蜂窩和其它無(wú)線(xiàn)通信頻率，所以組合使用了數據速率選擇、壓擺率控制以及漂移邊界等方法以降低出現在內部(包括可能的單片)射頻接收器輸入端的EMI。圖6是體現這種改善的一個(gè)例子。

圖6：MIPI聯(lián)盟的M-PHY接口組合了漂移邊界與壓擺率控制技術(shù)，以盡力降低高頻EMI。將該結果與圖4b中的頻譜進(jìn)行比較。

MIPI聯(lián)盟的射頻前端(RFFE)接口有不同的問(wèn)題，且采用不同的技術(shù)管理EMI。RFFE應用需要大幅值的單端信號，即便該接口工作時(shí)緊鄰敏感的射頻輸入。這里采用的技術(shù)組合首先采用與應用需求一致的最低數據傳輸速率。然后，我們對接口波形實(shí)施曲率控制，以確保任何EMI都被限定于低于本地射頻的工作頻率。圖7是演示其作用效果的一個(gè)例子。

(a)

(b)

圖7：MIPI聯(lián)盟的RFFE接口組合了數據速率選擇和波形整形技術(shù)，以將不需要的射頻信號頻帶控制在主要無(wú)線(xiàn)通信頻帶以下：(頂部)26MHz數據速率已經(jīng)使得大部分信號能量位于低頻，而(底部)在每一個(gè)轉換的開(kāi)始和結束都另實(shí)施了少量的曲率控制，顯著(zhù)改善了EMI抑制性能。

總結

設計的EMI管理是實(shí)現移動(dòng)設備內接口和接收器相互透明度的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。定義這些接口的規范委員會(huì )，如MIPI聯(lián)盟，最好地掌控著(zhù)這種能力。

由在強調相互透明度的M-PHY和RFFE接口規范的制定中所獲經(jīng)驗表明，對降低EMI來(lái)說(shuō)，有的技術(shù)很有效、有的不那么有效。目前為止，最有效的技術(shù)是良好的物理隔離。其次是限定差分信號允許的漂移，以及避免采用可導致指數接口波形的RC濾波。對減小EMI來(lái)說(shuō)，使用波形整形技術(shù)以減少接口波形上的尖角是特別有效的方法。

選擇數據速率是不需要濾波的一種技術(shù)。由于來(lái)自數字波形的EMI在此數據速率和其所有的整數倍速率都有頻譜零值，將這些零值放置在所關(guān)注頻帶的附近也十分有效。最后但當然不是不重要的，是降低接口波形的幅值。這種技術(shù)對EMI的影響微不足道。