消费电子之dvd数字视盘机电磁干扰设计方案-电子发烧友网

电磁干扰是电子产品一个不容忽视的问题，在设计时就应该采取措施，良好的设计将减少设计时间和产品成本。从国家标准化组织对电磁干扰的要求出发，分析了数字视盘机产生电磁干扰的三个主要原因，由此有针对性的从开关电源、音频/视频输出和PCB电路板三个方面展开讨论，设计分析了抑制电磁干扰的几种方法，并通过了EMI测试。
电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)指一个电子设备不断向它所处的环境排放超过允许范围的干扰。为了保护环境，国家标准化组织已制订了若干强制性标准，要求电子设备生产厂家必须将其产品的电磁干扰降到一定的程度。因此，从设计开始就必须注重电子设备的EMI设计，从元器件、连接器的选择、印刷板的布局布线、接地点等各方面进行综合考虑，降低电磁干扰。本文以DVD-1000数字视盘机为例，介绍EMI设计的一点体会。
1 EMI设计要求
对于电子产品的EMI要求，我国于1997年7月颁布了“GB13837-1997《声音和电视广播接收机及有关设备无线干扰特性限值和测量方法》标准”，该标准具体规定了五种电磁干扰的限值。
(1)注入电源的骚扰电压。在9～30 kHz范围内，若电子设备注入电网的干扰电压超过66 dBμV，干扰信号将通过电源网对其他设备造成严重干扰，从而使其他设备性能降低或无法正常工作。
(2)天线端骚扰电压。当接收设备外接公用天线或天线间非常接近时，干扰信号很容易通过分配电缆或天线间耦合造成相互干扰。
(3)射频输出器有用信号和骚扰信号电平。当设备射频输出端与其他设备连接时，如果设备的射频输出有用信号及其谐波电平太高，产生的高频谐波辐射将对临近设备产生干扰。
(4)辐射骚扰场强或功率。广播接收机的本振及其谐波、一中频单元辐射场强不能过高，否则会污染电磁环境。
(5)骚扰功率。声频功率放大器、音视盘机等设备在频率30 MHz以上的辐射主要是通过与其相连的电源线及其他连线向外辐射能量。当电源线和其他连线上的骚扰功率峰值大于55 dBμV时，将影响其他设备的正常工作。
2 数字视盘机的EMI传播机理
EMI的传播主要分为传导干扰和辐射干扰两种。辐射干扰是指各系统之间的干扰，它把电子产品内部所产生的各种频率干扰通过引线和元器件以空间电磁波的形式向外辐射电磁场，从而对其他电子设备形成干扰。例如：DVD视盘机的高频信号线、各类接插件都可能成为具有天线特性的辐射干扰源。传导干扰则是系统内部通过导电介质以传导的方式把信号耦合而形成的干扰，它一般是由于阻抗的交连(电源内阻、地线之间的阻抗)、互感的交连(指导线之间)以及寄生电容的交连而引起的内部干扰。例如：电视机的行辐射。
消除或减少电磁干扰的具体方法有很多，主要有屏蔽技术、电源滤波、接地技术以及采用EMI器件。对于DVD数字视盘机，由于没有天线和射频输出端口，其天线端骚扰电压很小，大多低于30 dBμV，其主要传播途径有以下几种：开关电源产生的脉冲电流和电压的变化很快，形成的开关电源开关脉冲及高次谐波通过元器件和电源线向外辐射和传导，产生电磁干扰;音频/视频输出信号通过音频/视频信号连接线向外辐射;数字电路工作需要的各种时钟信号及其高次谐波，如CPU 芯片工作时钟、MPEG解码器工作时钟、视频同步时钟(27 MHz，16.934 4 MHz，40.5 MHz)形成的干扰脉冲，通过元器件向外辐射。
3 EMI设计
3.1 开关电源的EMI设计
开关电源是电子设备的重要组成部分。电子设备中运行的电信号相对开关电源在幅值和能量上要小得多，这意味着开关电源通常是电子设备的最强干扰源。开关电源产生干扰的原因很多，如由于外部电网中负载、电压的随机变化造成开关电源的输入电流含有较多的噪声;内部的功率开关管在截止和导通之间的高速切换产生丰富的高次谐波干扰，整流二极管反向恢复时产生的突变尖峰电流干扰，高速率变化的电压和对地分布电容产生的传导干扰等。在DVD数字视盘机中，为了减小开关电源的EMl干扰，采取了以下措施：
3.1.1 开关变压器的EMI设计
为减少电源电路中的干扰，首先开关变压器采用反激式激励方式，反激式变压器开关电源的原理图如图1所示。Ui为开关电源的输入电压，T为高频变压器，SW为控制开关。由于整流二极管的存在，反激式开关电源在控制开关接通期间不向负载提供功率输出，仅在控制开关关断期间才把储存能量转化为反电动势向负载输出，因此，输入电源出现变化时，开关电源不能立即对输出电压和电流产生反映，只有到下个工作周期中电源关断时才起作用，即反激式开关电源输出电压的瞬态反应较迟缓;同时由于储能滤波电容的容量很大，使输出电压稳定，减少了高频干扰。
另外，反激式电源变压器应注意变压器气隙的大小，气隙越大变压器的带负载能力越强，但变压器的漏感越大，在满足带负载能力的前提下，漏感要尽量小些，以减小漏感产生的干扰。同时，为了减小原、副边的杂散电容.在变压器的初次级之间加入一层铜层屏蔽层，切断初次级的干扰传播通道。
3.1.2 开关变压器输出滤波器设计
良好的滤波技术对于开关电源的EMl具有明显的效果。在开关变压器输出端接入LC共模一差模滤波和π型滤波器(如图2所示)，来抑制开关电源中的EMI干扰。Cx为电源跨接电容，滤除共模干扰信号，常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容，取0.22～0.47μF;Cy为旁路电容，滤除差模信号，在4 700 pF以下，电容量过大会影响设备的绝缘性能;L1是共模线圈，由两个绕在同一个高导磁率磁芯上的绕组组成，感量为几十mH。调整电感、电容，使谐振频率与干扰频率相近或接近干扰频率的中心频率。对频率很高的电磁干扰，可以使用三端电容或穿心电容进行滤波。
另外，Cx及Cy的引线和连接地引线应尽量短，以使接地阻抗尽量小，噪声能经过电容旁路到地线;滤波器尽量靠近输入端口.避免滤波器输入输出发生耦合，而失去滤波作用。

3.l.3 采用MOS型开关集成电路
采用STR6651 MOS型开关集成电路，它是一种多数载流子运动的半导体器件，所需要的驱动功率小，则驱动电路的元器件电磁辐射的能量小。另外，该开关集成电路内含脉冲尖峰吸收电路，使得尖峰干扰大为减少。
3.2 音频/视频的EMI设计
3.2.1 采用具有滤波连接器的电缆
在音频/视频设计中，最薄弱的EMI设计环节为连接设备的电缆。普通屏蔽电缆是金属编制网，上面的孔洞会在高频时产生泄露，不能满足对于高频干扰的屏蔽。为此采用了带有滤波连接器的电缆，在每个连接器的孔上面安装了一个低通滤波器，消除了信号线上面的高频干扰。从而减小了电缆上面的辐射。
3.2.2 在音频/视频输出口串接EMI器件
不同的EMI器件，其高频衰减频率不同，其参数选择应根据EMI试验确定。例如在DVD-1000数字视盘机中，音频EMI的参数为：在100 MHz时，Z=(1 000±250)Ω。这样，输出信号的高频能量大大减小，即高频干扰大大减小。
3.2.3 音频/视频输出的布线
为降低接地电阻，消除分布电容的影响，音频/视频输出RCA座采用大面积接地，其接地端和金属外壳相连;同时加强对视频D/A、音频D/A的设计，使之输出信号中的高频谐波分量很小。3.3 PCB板的EMI设计
在器件的布局上注意EMI设计，各功能电路以核心芯片为中心，相关元件布置在核心芯片周围;各功能电路信号流畅，尽量减少信号回流的现象;干扰器件尽量远离键板、遥控接收板等I/O端口和连接线;各信号连接线不能跨过干扰很大的电路;合理安排复位电路、时钟电路，要尽量靠近器件引脚;合理安排滤波电容的位置，滤波电容要尽量靠近需要滤波的器件引脚等。
在PCB板布线中，模拟和数字电路一定要在其功能区域内走线，优先布重要器件及重要信号(时钟/地址/数据/复位线等)以确保这些连线最短;晶体振荡器的金属外壳要良好接地，晶振器件下面不得走信号线;对于连接线端子、I/O端口的EMI器件一定要放置在连接线端子、I/O端口傍，且信号走线一定要先经过EMI器件再到端子等。
3.4 DVD数字视盘机的EMI测试结果
DVD-1000数字视盘机经过以上EMI设计和措施，有效地减小了高频干扰，通过了国内的EMI试验。图3.图4为L端及N端的注入电源骚扰电压试验报告。