數(shù)字機(jī)頂盒電磁抗干擾的設(shè)計(jì)技巧

摘要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用，改善了人們的生活。然而各種電子產(chǎn)品在使用時(shí)由于需要使用電源，需要進(jìn)行各種解碼，因此必定會(huì)產(chǎn)生各式各樣電磁干擾。要使得本機(jī)能正常工作，必須在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到產(chǎn)品的電磁抗干擾的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)DVBT機(jī)頂盒電磁抗干擾現(xiàn)象的具體分析，有針對(duì)性地通過(guò)改進(jìn)電路設(shè)計(jì)、增強(qiáng)接地和屏蔽措施，修改PCB LAYOUT，有效地提升系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的承受能力，達(dá)到所銷往目的國(guó)的電磁抗干擾標(biāo)準(zhǔn)要求。
關(guān)鍵詞：電磁兼容EMC；電磁抗干擾EMS；模電壓抗干擾測(cè)試；屏蔽效能測(cè)試

0 引言
    隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各式各樣電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。越來(lái)越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用，必然導(dǎo)致它們?cè)谄渲車臻g電磁場(chǎng)電平的不斷增加，使得設(shè)備周圍的電磁環(huán)境處于持續(xù)惡化的過(guò)程中。因此必須解決電子產(chǎn)品、設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力，使得電子產(chǎn)品、設(shè)備與其他設(shè)備聯(lián)系在一起的時(shí)候，不會(huì)引起該產(chǎn)品、設(shè)備任何部分的工作性能下降和惡化。隨著世界上各個(gè)國(guó)家模擬電視逐漸被數(shù)字電視取代的今天，越來(lái)越多的機(jī)頂盒(Set Top Box，STB)走進(jìn)千家萬(wàn)戶。作為重要的接收和轉(zhuǎn)換中間設(shè)備，數(shù)字機(jī)頂盒為了解碼高清節(jié)目，工作頻率越來(lái)越高，機(jī)內(nèi)同時(shí)存在大量的DC／DC開(kāi)關(guān)電源模塊、高速數(shù)據(jù)處理器(DSP)、高清數(shù)字輸出接口，處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不正
常工作，導(dǎo)致影響最終的觀看效果。因此對(duì)于DVB機(jī)頂盒應(yīng)當(dāng)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)考慮其電磁兼容性(EMC)。它要求電子設(shè)備具有2方面的能力：一是在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作；二是對(duì)所在的電磁環(huán)境中不是一個(gè)污染源。

1 DVB數(shù)字機(jī)頂盒的結(jié)構(gòu)
     對(duì)于DVB數(shù)字機(jī)頂盒，其大體是由解碼板、電源板、面板(及電路)等電路模塊構(gòu)成。其通過(guò)TUNER端子收取當(dāng)?shù)氐碾娨曅盘?hào)并經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼芯片(DSP)的處理，解碼出音視頻的信號(hào)，并經(jīng)過(guò)輸出端子輸出到電視等終端。其框圖如圖1所示。

2 DVB數(shù)字機(jī)頂盒目前所執(zhí)行的電磁抗干擾標(biāo)準(zhǔn)
    DVB數(shù)字機(jī)頂盒在歐共體需要符合的標(biāo)準(zhǔn)是：EN55020：《聲音和電視廣播接收機(jī)及有關(guān)設(shè)備抗干擾特性限值和測(cè)試方法》。一般來(lái)說(shuō)，在中國(guó)是按照GB9383標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一般會(huì)參照歐洲的標(biāo)準(zhǔn)；如果產(chǎn)品銷售的對(duì)象是美國(guó)，那么電磁兼容的設(shè)計(jì)就應(yīng)當(dāng)以FCC part 20的要求作為依據(jù)。對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)DVB機(jī)頂盒，所采用的抑制電磁抗干擾的應(yīng)對(duì)措施也有所不同，下面就歐洲的高清機(jī)頂盒HD DVBT為例進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

3 按照預(yù)期符合歐共體EN55020標(biāo)準(zhǔn)要求在設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)
    《聲音和電視廣播接收機(jī)及有關(guān)設(shè)備抗干擾特性限值和測(cè)試方法》的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為EN55020：2002+A1：2003+A2：2005+IS1：2007+I S2：2007。EN55020主要是針對(duì)視聽(tīng)產(chǎn)品和類似設(shè)備對(duì)電磁能的抗干擾的能力，保障電子產(chǎn)品不受其他產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁能量影響并正常工作。其測(cè)試代號(hào)和項(xiàng)目有抗靜電實(shí)驗(yàn)(ESD)、電快速瞬變(EFT)和S1～S5。S1～S5的定義如表1所示。

[!--empirenews.page--]
    在實(shí)際設(shè)計(jì)和測(cè)試的過(guò)程中，比較困擾的是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)S1和S4不能過(guò)，下面就這2個(gè)項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)型進(jìn)行詳細(xì)的探討：
3．1 天線輸入端差模電壓抗干擾測(cè)試S1
3．1．1 對(duì)S1的描述和標(biāo)準(zhǔn)
    該項(xiàng)測(cè)試適用于帶有外接天線端子的聲音和電視廣播接收機(jī)產(chǎn)品。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器對(duì)受試設(shè)備的外接天線端子以傳導(dǎo)的方式注入特定頻率點(diǎn)的差模干擾信號(hào)，測(cè)試受試設(shè)備天線輸入端的抗干擾能力。S1的測(cè)試包含2部分，分別是抗臨頻測(cè)試(這部分的指標(biāo)要求比Nodig的底很多，因此數(shù)字機(jī)頂盒一般沒(méi)有問(wèn)題)和抗干擾測(cè)試。

    天線輸入端差模電壓抗干擾限值，如表2(無(wú)用信號(hào)在TV頻段外的電視接收機(jī)內(nèi)部抗擾度)。表中的N表示有用信號(hào)，其中N1是VHF-L頻段的任一頻點(diǎn)，N3是VHF-H的任一頻點(diǎn)。
3．1．2 抗干擾測(cè)試的測(cè)試數(shù)據(jù)、分析和解決方法
    圖2是一款采用NXP數(shù)字硅高頻頭的機(jī)頂盒在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)，其中在29．33 MHz至30 MHz之間，抗干擾的能力離標(biāo)準(zhǔn)的要求差1 dB左右。

[!--empirenews.page--]
    在不影響機(jī)頂盒性能的情況下，根據(jù)信號(hào)通路的路徑和電容越小通過(guò)的頻率越高的特性，將圖3中耦合輸入電容C99的容值減小，由原來(lái)的1 000 pF減為120 pF。再測(cè)試，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)剛剛臨界，沒(méi)有余量。于是翻閱資料，發(fā)現(xiàn)事實(shí)上由于許多IC線性度性能的限制，需要在RF輸入端加入一個(gè)陷波濾波器來(lái)濾除以28 MHz為中心點(diǎn)，帶寬為4 MHz(26～30 MHz)的窄帶信號(hào)，來(lái)保證測(cè)試通過(guò)。于是增加了濾波電路，如圖3所示。

    此電路經(jīng)過(guò)電路仿真和實(shí)際測(cè)試，對(duì)26～30 MHz的信號(hào)有大約15 dB的衰減，同時(shí)在100 MHz的衰減只有0．4 dB左右，因此對(duì)接收機(jī)低端靈敏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。
    加裝濾波器電路的機(jī)器經(jīng)過(guò)測(cè)試，順利的通過(guò)了測(cè)試，并且有6 dB的余量，同時(shí)不影響機(jī)器的接收性能。
3．2 天線端的屏蔽效能S4
3．2．1 對(duì)S4的描述和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
    該項(xiàng)測(cè)試是評(píng)價(jià)受試設(shè)備天線端的屏蔽效能。干擾信號(hào)通過(guò)吸收鉗耦合到天線端的屏蔽層(地線)及天線端本身2種途徑注入到被測(cè)設(shè)備，干擾分別通過(guò)吸收鉗和天線端本身注入到被測(cè)設(shè)備所經(jīng)過(guò)的路徑損耗之差就是天線端的屏蔽效能。更具體的講，是入射到屏蔽層的電磁場(chǎng)幅度與穿透屏蔽層傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)幅度之比。對(duì)地面電視接收機(jī)的屏蔽效能的限值為50dB。
3．2．2 屏蔽效能S4的測(cè)試數(shù)據(jù)
    圖4是一款高清數(shù)字機(jī)頂盒在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)，從測(cè)試結(jié)果看，只有低頻段205．5 MHz通過(guò)測(cè)試，并且余量也只有0．6 dB，中高頻段都沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，需要至少6 dB的屏蔽增強(qiáng)改進(jìn)。

3．2．3 對(duì)S4測(cè)試數(shù)據(jù)的分析
    如果數(shù)字機(jī)頂盒的RF輸入線沒(méi)有采用屏蔽線，則外界的輻射干擾很容易耦合到導(dǎo)線上，產(chǎn)生干擾電流，并帶到屏蔽殼上，并進(jìn)而耦合到內(nèi)部電子電路上。假如使用良好的屏蔽線，則外部電磁干擾，只會(huì)存在于屏蔽殼的外部，而不會(huì)干擾到內(nèi)部電路。而如果屏蔽線與屏蔽殼結(jié)合不緊密，則干擾電流還會(huì)進(jìn)入到屏蔽殼的內(nèi)部，是屏蔽效能降低。反之，除非電纜屏蔽層邊緣與外殼相連，外殼內(nèi)部的噪聲電流也會(huì)沿著屏蔽層流出外殼。[!--empirenews.page--]
3．2．4 對(duì)數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)計(jì)的改進(jìn)
    (1)PCB布線的改進(jìn)。將射頻輸入線與敷地之間的間隔加大，至少有1 mm的間隔，這樣可以減少射頻先與地線之間的耦合，因?yàn)榈鼐€與屏蔽殼是連在一起的，因此可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線中的干擾信號(hào)向外輻射。具體要更改的地方如圖5所示。

    (2)屏蔽殼的設(shè)計(jì)改進(jìn)。如前所述，最有效的方法是改進(jìn)屏蔽殼的密閉性，是輸入電纜的屏蔽層與機(jī)頂盒的屏蔽殼緊密相連，同時(shí)保證屏蔽殼是一個(gè)完整的密閉體。然而實(shí)際操作來(lái)說(shuō)，對(duì)于硅高頻頭ON BOARD設(shè)計(jì)，鑒于成本的設(shè)計(jì)，只能盡量接近理想的要求。
    具體的改法是把過(guò)孔式的屏蔽殼裝配的時(shí)候手工在焊接面把屏蔽殼露出腳位扭十字固定，并且在元件面的PCB上沿著屏蔽殼的正下面敷地并露銅，在過(guò)波峰焊的時(shí)候保證其腳位焊接良好。具體的更改如圖6所示。

    經(jīng)過(guò)上述的更改，機(jī)頂盒順利地通過(guò)了測(cè)試，并且有5 dB的余量。

4 結(jié)語(yǔ)
    EN55020用于判定產(chǎn)品的抗干擾特性，主要是引入信噪比作為性能判定依據(jù)。此外，標(biāo)準(zhǔn)中的S1，S2，S4為內(nèi)部抗擾度的測(cè)試，即將干擾信號(hào)注入到產(chǎn)品的內(nèi)部來(lái)測(cè)試產(chǎn)品的各部分的抗干擾能力，而S3，S5則是外部抗擾度，即測(cè)試產(chǎn)品對(duì)外部磁場(chǎng)和外部環(huán)境的抗干擾能力。理解EN55020測(cè)試的關(guān)鍵就在于理解各項(xiàng)抗干擾測(cè)試的評(píng)定方法。另外，在測(cè)試中還要注意區(qū)分不同測(cè)試之間干擾信號(hào)的頻率范圍。
    通過(guò)以上電路設(shè)計(jì)，DVBT機(jī)頂盒的電磁抗干擾性能能滿足所銷往目的國(guó)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)以上抑制電磁抗干擾設(shè)計(jì)，提高DVBT機(jī)頂盒抗接受信號(hào)的靈敏度并保證信號(hào)輸出的質(zhì)量。實(shí)踐證明，在設(shè)計(jì)前期良好的策劃和經(jīng)驗(yàn)是保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速成功的基礎(chǔ)，避免重復(fù)的更改。對(duì)于電磁兼容的討論和規(guī)則運(yùn)用要不停的結(jié)合實(shí)際情況不斷的學(xué)習(xí)和探索下去。