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高速数字接口中EMI如何消除,七种方法分享给你

小尺寸低成本高速串行(HSS)接口对于体积小、功耗低、重量轻的移动设备来说尤其有价值。当移动设备必须与远程网络通信时,会发生电磁干扰(EMI),因为现代HSS通常比移动设备使用的无线通信频率更高。

电磁兼容科学告诉我们(根据麦克斯韦方程):当电子移动时,射频信号肯定会产生。在设计中,可以使用七种主要技术进行管理EMI,它们是:隔离、信号幅值、偏移范围、数据速率、信号平衡、摆动速率控制和波形整形。这些技术有不同的功能,我们会逐一讨论。


隔离

物理隔离可能是最明显的技术。对于射频信号,如果可以的话“屏蔽”那么它就不会干扰任何其他信号。虽然隔离永远不会完美,而且在蜂窝或无线局域网频率下,实际隔离分贝值为20~40dB之间。达到这个水平的隔离解决方案EMI问题通常是必要的。所以,仔细测量IC封装和PCB可供布局的隔离非常重要。


国产电磁兼容仪器设备

图1.用于当代表帖射频封装的一个隔离罩


信号幅度

降低接口信号的幅值肯定会降低EMI,但是效果不大。若信号幅值减半,EMI仅降低6dB。这可能足以摆脱闭锁问题(closeproblem),然而,这种方法也降低了接收器的裕度,并可能导致接口错误。基于此,最好以此作为回应EMI问题的最后手段。


漂移和平衡

漂移是差分信号的两个组成部分之间的时间偏移。平衡是两个组成部分之间部分之间的振幅匹配。这两个参数基本上由接口驱动电路决定,最好一起分析。如图2所示,当信号平衡在10%以内时,它是由漂移引起的EMI影响比和信号平衡的确切值并不那么重要。这意味着,从EMI从这个角度来看,在设计接口驱动电路时,尽量减少漂移远比致力幅值平衡事半功倍。


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图2:信号平衡和漂移的组比较


图表显示,管理漂移比获得一个非常封闭的信号平衡要重要得多。甚至在2%UI信号平衡误差高达10%的影响在漂移过程中也是微不足道的。信号平衡只有在漂移100%为零的情况下才变得重要(不太可能)。


数据传输速率

数字信号的射频谱具有不同的特征,从EMI从这个角度来看,最重要的是数据速率及其整数倍率的频谱零。图3,清楚地显示了这些频谱的零值。

这些零值在任何信号滤波器中都是独立存在的。通过改变数据速率,而不是将频谱零值移动到射频接收器的频带附近,以去除进入接收器的值EMI,这是一个切实可行的选择。对于必须识别多个卫星发回的极弱信号的信号GPS对于接收器来说,这一点尤为重要。图3显示了这种帮助保护GPS接收器技术,数据速率从1.248Gbps(图3a)变为1.456Gbps(图3b)。


(a)

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(b)

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图3:改变接口数据速率会移动频谱零值。这是无需任何滤波、能降低特定频带EMI的一种特别有效的方法。


压摆率

接口携带的所有必要信息都位于主光谱瓣膜上。频谱旁瓣携带的是数据波形变换信息,而不是数据本身。能量产生的侧瓣(这些侧瓣频率高于数据速率)EMI总之,它可以通过降低每个波形转换的摆动速率来抑制。这是有效的,因为意外射频信号的总带宽不是由数据速率控制的,而是由数据波形的最快转换(边缘)决定的。

图4a(顶部)表明该技术确实影响接口信号“眼图”。尽管完全睁开的眼睛宽度变窄,但眼睛顶部和底部之间的分离并没有受到影响。这是使用这种过滤技术必须付出的代价。

请注意:摆动速率控制只会降低侧瓣的振幅。对主瓣的任何影响都可以忽略不计。这既有优点也有缺点:这意味着摆动速率控制不会稀释数据内容。缺点是,当干扰频率来自主瓣时,技术将无效。基于这个原因,M-PHY的MIPIAllianceDigRFSM在其他应用中,人们倾向于使用每个信道以较低的数据速率工作,而不是以较高的数据速率工作的信道。


(a)

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(b)

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图4:压摆率控制对差分信号频率较高的侧瓣影响:顶部)眼图边缘转换时间定义;底部)和变换相应的频谱。


波形整形

控制压力摆动速率的直接方法是调整电流源的充放电电容。这就产生了图3和下图5a直线变换。其他波形确实会影响EMI值,结果有好有坏。例如,图5b简单地展示RC通过滤波获得的指数波形效应。在这里,EMI事实上,情况变得更糟了。原因是,在任何转换开始时,指数波形都形成一个尖角,即使任何转换的末端都是光滑的。但是在转换结束时,侵权已经发生。

图5c结果表明,当从接口波形中去除所有尖角时,光谱钳的极限性能大大提高。去除尖角是波形塑料的主要目标,因此有时被称为波形曲率限制。

(a)

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(b)

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(c)

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图5:信号变换具有不同的波形形状EMI信号的频谱变化:a)线性变换,b)指数变换,和c)滤波后的波形。指数变换实际上抑制了它EMI能力最差。


技术组合拳

所有的EMI管理技术始于最大化物理隔离。除了隔离,不同的技术将根据接口标准化委员会遇到的具体问题采用。以下介绍来自公告MIPI两个标准的例子。

MIPI联盟的M-PHY规范是一个使用低幅值差分信号的规范HSS链接。由于数据传输速率高于许多蜂窝和其他无线通信频率,因此组合使用数据速率选择、摆动速率控制和漂移边界来减少内部(包括可能的单片)射频接收器输入端的出现EMI。图6是这种改善的一个例子。


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图6:MIPI联盟的M-PHY该接口结合了漂移边界和摆动速率控制技术,降低高频率EMI。图4结果b比较中的频谱。

MIPI射频前端联盟(RFFE)不同的不同的问题,技术管理也不同EMI。RFFE即使接口工作时接近敏感的射频输入,应用程序也需要一个大的单端信号。这里使用的技术组合首先使用与应用程序要求一致的最低数据传输速率。然后,我们对接口波形进行曲率控制,以确保任何东西EMI工作频率仅限于低于本地射频的工作频率。图7是演示其效果的一个例子。


(a)

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(b)

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图7:MIPI联盟的RFFE接口结合数据速率选择和波形整形技术,将不必要的射频信号频带控制在主无线通信频带以下:(顶部)26MHz数据速率使大多数信号能量处于低频,而(底部)在每个转换的开始和结束时实现少量曲率控制,这大大提高了EMI抑制性能。


总结

设计的EMI管理是实现移动设备中接口和接收器相互透明的关键组成部分。定义这些接口的标准化委员会,如MIPI联盟,最好控制这种能力。

在强调相互透明度时M-PHY和RFFE接口规范制定中获得的经验表明,降低接口规范EMI。总之,有些技术非常有效,有些技术则不那么有效。到目前为止,最有效的技术是良好的物理隔离。第二种是限制差分信号允许的漂移,并避免使用可能导致指数接口波形的漂移RC滤波EMI为了减少接口波形上的尖角,采用波形整形技术尤为有效。

选择数据速率是一种不需要过滤的技术。因为它来自数字波形EMI在这里,数据速率和所有整数倍率都有一个频谱零,将这些零放置在相关频带附近也是非常有效的。最后,但当然,这并不重要。这是为了口波形的振幅。这种技术对EMI影响微不足道。


相关关键词: EMI电磁兼容
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