DSP系統(tǒng)電磁兼容的設(shè)計(jì)

1　引言

隨著DSP芯片的迅猛發(fā)展,其運(yùn)算速度和處理能力不斷提高，使得DSP系統(tǒng)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)，周圍環(huán)境的電磁干擾源越來(lái)越多,使得DSP系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員也面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即如何抑制日益嚴(yán)重的電磁干擾(EM I) ，提高系統(tǒng)性能，使各種電氣及電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容(EMC) 。

2　電磁兼容設(shè)計(jì)

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(shè)備可以共存并不至于引起性能降級(jí)的一門學(xué)科。而電磁兼容性通常是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作,并且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)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(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)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(shè)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(xiàn)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(shè)備、系統(tǒng)發(fā)生電磁危害,從而導(dǎo)致性能下降或故障,這種自然現(xiàn)象或裝置就稱為電磁騷擾源。如光照、天電噪聲、電子噪聲、發(fā)電機(jī)等都屬于電磁騷擾源。

耦合途徑是指?jìng)鬏旊姶膨}擾的媒介或途徑。

敏感設(shè)備是指當(dāng)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(dǎo)致性能下降或發(fā)生故障的器件、設(shè)備或系統(tǒng)。許多器件、設(shè)備或系統(tǒng)既是敏感設(shè)備又是產(chǎn)生干擾的電磁騷擾源。

2. 2　電磁兼容設(shè)計(jì)的目的
電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的：是使電子設(shè)備或電子系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容。即要求在同一電磁環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)都能正常工作又互不干擾,達(dá)到“兼容”的狀態(tài)。滿足電磁兼容( EMC)有以下兩方面的規(guī)定：

(1)能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作，無(wú)性能降低或故障；
(2)對(duì)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(tǒng)符合以下條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的。
對(duì)電磁騷擾不敏感。
對(duì)系統(tǒng)自身不產(chǎn)生干擾。
對(duì)其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。
為了實(shí)現(xiàn)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(shè)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(shè)備對(duì)騷擾的響應(yīng)。

2. 3　電磁兼容設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容
電磁兼容設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)兩方面加以考慮。系統(tǒng)間的電磁兼容設(shè)計(jì)目前已經(jīng)研究的較多,本文將主要針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容設(shè)計(jì)加以討論。

通常系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設(shè)計(jì)可分為五部分:有源器件的選擇和印制電路板( PCB )的設(shè)計(jì)、布線、濾波、接地及屏蔽等。如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)內(nèi)EMC設(shè)計(jì)

2. 4　電磁干擾的傳輸途徑
電磁騷擾源與敏感設(shè)備的耦合途徑有:傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射或三者的組合。

傳導(dǎo)耦合是電磁騷擾源和敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合的方式很多,可以通過(guò)電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體等進(jìn)行耦合。防止傳導(dǎo)耦合的方法是避免導(dǎo)線感應(yīng)噪聲,采取適當(dāng)?shù)钠帘位驅(qū)?dǎo)線分離,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(yīng)耦合是電子元件(例如繼電器、變壓器、電感器等)及導(dǎo)線之間的主要耦合方式?？煞譃殡姼袘?yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合兩類。對(duì)這兩類耦合可以采用加屏蔽、隔離或改變騷擾源和敏感設(shè)備的相對(duì)位置的方法加以抑制。

輻射是騷擾傳輸?shù)牧硪环N方式,包括天線、電纜、機(jī)殼之間產(chǎn)生的干擾。

通常，一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)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(shè)備之間的耦合、降低敏感設(shè)備對(duì)騷擾源的靈敏度來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng),達(dá)到電磁兼容的要求。

3　系統(tǒng)內(nèi)EMC設(shè)計(jì)中采取的措施

3. 1　有源器件的選擇和PCB的設(shè)計(jì)
在數(shù)字電路特別是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,有源器件的正確選擇和印刷電路板( PCB)設(shè)計(jì)對(duì)防止電磁干擾( EM I)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

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(shù)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(yīng)該注意的,應(yīng)盡量避免或降低對(duì)其他器件或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

在PCB板設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮板的結(jié)構(gòu)、器件的布局、線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(yīng)保持最小
使用較大的地線平面以減小地線阻抗
信號(hào)線和回線應(yīng)盡可能接近
電源線和地線應(yīng)相互接近
在多層板設(shè)計(jì)中,電源面和地平面應(yīng)當(dāng)分開(kāi)
采用合適的布線寬度以增加高頻阻抗和降低電容耦合
數(shù)字地、模擬地等應(yīng)相互分離
采用多點(diǎn)接地降低高頻地阻抗
增大相鄰激勵(lì)線跡的間距減小串?dāng)_
盡量減小時(shí)鐘信號(hào)環(huán)路面積
高頻線路和時(shí)鐘線要短并盡可能直接連接
敏感的線路不要與傳輸高頻大電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)的線路并行
不要有浮空數(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常在電路中加入電容器來(lái)滿足系統(tǒng)工作時(shí)所要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。

根據(jù)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(duì)電源線和所有進(jìn)入PCB的信號(hào)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(zhǔn)電壓引腳
在器件引線處對(duì)電源/地去耦
用多級(jí)濾波抑制不同頻段的電源噪聲

3. 3　其它降噪措施

根據(jù)系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(dāng)?shù)牡胤郊悠帘?
對(duì)有干擾的引線進(jìn)行屏蔽或絞在一起以消除相互耦合
在感性負(fù)載上用箝位二極管等。

4　DSP應(yīng)用系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)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(shù)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(dá)300MHz或更高的的諧波干擾,應(yīng)采取措施加以克服。此外,系統(tǒng)復(fù)位線、中斷線和控制線是較容易受到干擾的敏感設(shè)備。

一個(gè)電子系統(tǒng)的電磁兼容性很大程度上取決于元件的布局和導(dǎo)線的連接形式。當(dāng)一段導(dǎo)線和相應(yīng)的回路中有電流流動(dòng)時(shí),便產(chǎn)生了天線效應(yīng),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(tǒng)內(nèi)部的電流環(huán)
如圖3所示,環(huán)路A—C—D—B和A—E—F—B中傳輸著系統(tǒng)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(tǒng)中各元件的瞬時(shí)工作狀態(tài)。系統(tǒng)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(hào)線和控制線形成的回路N—F—P—Q 和L—M—F—D所包圍的面積相對(duì)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(tǒng)中信號(hào)頻率最高的區(qū)域,在進(jìn)行電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。

由以上分析可見(jiàn),在DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮電源線、高頻信號(hào)線和時(shí)鐘振蕩電路的設(shè)計(jì)。

對(duì)于電源線來(lái)說(shuō),可以采用去耦電容和鐵氧體保持供電電源的穩(wěn)定。信號(hào)線及其回路組成環(huán)路包圍的面積越小越好,以減小輻射干擾( EM I) 。在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)通常是頻率最高的信號(hào)。以圖4 為例,當(dāng)晶振連接C24x系列內(nèi)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(shè)計(jì)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(hào),晶振自身對(duì)這些信號(hào)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(duì)振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)來(lái)講,呈現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量縮小這個(gè)區(qū)域的面積。

圖中串聯(lián)電阻阻值在一千歐范圍內(nèi)。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)具體的DSP應(yīng)用系統(tǒng),應(yīng)根據(jù)所選芯片類型和功能特點(diǎn)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。例如TMS320C24x DSP,它除了配置有高速數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)構(gòu),還具有單片電機(jī)控制的外設(shè)功能,是專門為數(shù)字電機(jī)控制和其他控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。當(dāng)PCB設(shè)計(jì)完成后,還可以將C24x PWM單元設(shè)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(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容性。