DSP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

3. 2　濾波技術(shù)
在電子系統設計時(shí)經(jīng)常在電路中加入電容器來(lái)滿(mǎn)足系統工作時(shí)所要求的電源平穩和潔凈度。

根據電容在電路中的作用可分為:去耦電容、旁路電容和容納電容。去耦電容用來(lái)濾除高速器件在電源板上引起的騷擾電流;旁路電容可用來(lái)消除高頻輻射噪聲,從而抑制共模干擾；容納電容則配合去耦電容抑制由電流變化引起的噪聲。

主要的濾波技術(shù)包括：
對電源線(xiàn)和所有進(jìn)入PCB的信號進(jìn)行濾波
旁路快速開(kāi)關(guān)器件
旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳
在器件引線(xiàn)處對電源/地去耦
用多級濾波抑制不同頻段的電源噪聲

3. 3　其它降噪措施

根據系統功能和實(shí)現目標要求可以采用懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地等不同的接地方式
在適當的地方加屏蔽
對有干擾的引線(xiàn)進(jìn)行屏蔽或絞在一起以消除相互耦合
在感性負載上用箝位二極管等。

4　DSP應用系統的電磁兼容設計

DSP系統具有高精度、小功率、快速邏輯等特點(diǎn),容易受到寄生阻抗、介質(zhì)吸收或高頻噪聲的影響 。在高速數字電路中,特別是在快速DSP中,時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的主要和最大產(chǎn)生源,可產(chǎn)生高達300MHz或更高的的諧波干擾,應采取措施加以克服。此外,系統復位線(xiàn)、中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)是較容易受到干擾的敏感設備。

一個(gè)電子系統的電磁兼容性很大程度上取決于元件的布局和導線(xiàn)的連接形式。當一段導線(xiàn)和相應的回路中有電流流動(dòng)時(shí),便產(chǎn)生了天線(xiàn)效應,向外輻射電磁能量,此能量的大小與流過(guò)電流的幅值、頻率及該電流環(huán)路所包圍的面積有關(guān)。從而形成了一個(gè)典型的電磁干擾源。

圖3　電子系統內部的電流環(huán)
如圖3所示,環(huán)路A—C—D—B和A—E—F—B中傳輸著(zhù)系統正常工作所需的能量。然而電路中所消耗的能量不是恒定不變的,這主要取決于系統中各元件的瞬時(shí)工作狀態(tài)。系統中每個(gè)器件動(dòng)作所引起的變化都將反映到這些傳輸線(xiàn)上。為了防止電流的快速變化引起的干擾,可借助電容Cb加以抑制。由信號線(xiàn)和控制線(xiàn)形成的回路N—F—P—Q 和L—M—F—D所包圍的面積相對較小,但是由它們引起的高頻噪聲也是不容忽視的。由晶振等元件組成的環(huán)路G—H—J—K,通常是系統中信號頻率最高的區域,在進(jìn)行電磁兼容(EMC)設計時(shí)應當重點(diǎn)考慮。

由以上分析可見(jiàn),在DSP應用系統設計時(shí)要重點(diǎn)考慮電源線(xiàn)、高頻信號線(xiàn)和時(shí)鐘振蕩電路的設計。

對于電源線(xiàn)來(lái)說(shuō),可以采用去耦電容和鐵氧體保持供電電源的穩定。信號線(xiàn)及其回路組成環(huán)路包圍的面積越小越好,以減小輻射干擾( EM I) 。在數字系統中時(shí)鐘信號通常是頻率最高的信號。以圖4 為例,當晶振連接C24x系列內部振蕩器時(shí),通過(guò)減小高頻電流和電流環(huán)路包圍的面積來(lái)抑制電磁干擾。

圖4　一種推薦的PCB設計方法
晶振具有很高的阻抗(通常為幾百千歐) ,因此其工作時(shí)產(chǎn)生的高頻電流幅值很小。然而CMOS電路的輸出是含有高次諧波分量的方波信號,晶振自身對這些信號不具有高阻抗特性,從而將產(chǎn)生較大的諧波電流,可以加一個(gè)串聯(lián)電阻加以抑制。兩個(gè)旁路電容對振蕩器產(chǎn)生的高頻信號來(lái)講,呈現出低阻特性,將在Cs—X—Cs之間產(chǎn)生較大的電流。為了減小輻射干擾,在設計時(shí)應盡量縮小這個(gè)區域的面積。

圖中串聯(lián)電阻阻值在一千歐范圍內。

5　結束語(yǔ)

針對具體的DSP應用系統,應根據所選芯片類(lèi)型和功能特點(diǎn)進(jìn)行電磁兼容設計。例如TMS320C24x DSP,它除了配置有高速數字信號處理的結構,還具有單片電機控制的外設功能,是專(zhuān)門(mén)為數字電機控制和其他控制應用系統而設計的。當PCB設計完成后,還可以將C24x PWM單元設置為異步、同步或空間矢量PWM模式,進(jìn)一步降低電磁干擾。增強系統的電磁兼容性。