手持導(dǎo)航設(shè)備的電磁干擾定位和整改

摘要：手持導(dǎo)航產(chǎn)品中，電磁干擾對產(chǎn)品性能的影響巨大。該文重點描述PND產(chǎn)品中EMI定位和整改問題的一般分析方法和手段，即通過組合使用通用的電、磁場探頭，GPS有源天線，電壓探頭進行近場掃描，準確定位PND中的干擾源和干擾路徑，并舉例說明這些方法的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：手持導(dǎo)航設(shè)備；電磁干擾；探頭；近場；遠場

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2009)04-0942-02

The EMI Position and Rectification in PND

ZHOU Li-li

(National ASIC System Engineering Center， Southeast University， Nanjing 210096， China)

Abstract: In handheld navigation products， electromagnetic interference increasing affects its performance. This paper describes general analytical methods and means of the EMI positioning and rectification in the PND products， namely through the combination use of a common electric、magnetic field probe， GPS active antenna， voltage probe near-field scanning， accurately position the interference source and path in PND， and gave examples of the application of these methods.

Key words: PND; EMI; probe; near field; far field

1 引言

在嵌入式系統(tǒng)中，電路的時鐘頻率不斷提高，PCB的面積不斷減小，IC布局及其布線也變得越來越密集，電磁兼容設(shè)計作為一項重要的設(shè)計技術(shù)受到了嵌入式硬件設(shè)計工程師越來越多的關(guān)注。對于手持設(shè)備來說，EMC設(shè)計的重點在于EMI控制。近幾年來，手持導(dǎo)航儀產(chǎn)品市場發(fā)展迅速。在PND中，機內(nèi)嚴重的EMI干擾不僅會污染了周邊的電磁環(huán)境，還會直接影響GPS信號接收靈敏度，使得產(chǎn)品不能正常工作。PND中的EMI設(shè)計尤其重要。對于設(shè)計公司來說效率就是生命。減少樣機整改循環(huán)次數(shù)，加快產(chǎn)品上市速度，降低產(chǎn)品開發(fā)成本成為PND產(chǎn)品EMC設(shè)計的重要要求。

2 EMI定位和整改的一般方法

對于PND而言，EMI測試包含整機對外界的電磁兼容的EMI標準測試和本機內(nèi)部GPS接收靈敏度測試，整改時要緊扣產(chǎn)品EMI控制要求，選擇最佳成本的方法進行EMI控制。

電磁兼容標準中的EMI測試要求，都由相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)布的標準明確定義。這些標準都是針對整機進行遠場測試，如開闊場的測試、3米/10米法的半波微波暗室測試。GPS性能的測試，則以實驗室單星測試結(jié)果為參考。

針對PND內(nèi)部EMI分析的一種比較有效的手段是使用近場探頭進行近場測試，找到EMI干擾源位置和干擾耦合路徑方式。

2.1 EMI近場探頭及探測方法

遠場EMI整改首先需詳細了解EMI測試環(huán)境和測試條件。這些內(nèi)容包括：被測試樣機的工作狀態(tài)（軟件、硬件工作狀態(tài)），外接配件狀態(tài)（電源型號，耳機是否連接，SD卡是否讀寫等等）。對于被測樣機而言，不同的工作狀態(tài)對EMI測試影響巨大：運行功耗越大的機器EMI輻射越強；運行不同軟件的機器EMI輻射特征頻譜也會不同。外接電源可能是EMI產(chǎn)生源；耳機等外接設(shè)備可能會成為天線，將機內(nèi)EMI輻射出去。

明確整改工作狀態(tài)后，需要對于遠場EMI測試圖表進行分析。分析EMI測試圖表是解決問題的關(guān)鍵。分析內(nèi)容包括：EMI圖形的特點是什么？超標頻點有哪些？那些頻率點可能是什么部件工作頻率的倍頻？

近場掃描時，針對遠場EMI圖表分析結(jié)果，使用近場掃描工具，對整機內(nèi)部部件EMI近場輻射進行掃描，查找并跟蹤EMI傳播途徑和EMI干擾源。

本文使用的近場電場和磁場探頭是德國Langer公司生產(chǎn)的H/E探頭組。該探頭組測試頻率范圍為30MHz—3GHz。測試探頭輸出阻抗是50Ω，可直接連接頻譜儀，外置有源放大器，增益30dB，H/E探頭探測的范圍最小可達1mm。使用近場探頭測試（測試示意如圖1）時，要密切關(guān)注接收的近場電場、磁場輻射波形，真正的干擾源探測出波形應(yīng)與遠場EMI測試圖表相近。

H/E探頭探測的是一個區(qū)域的電場或磁場輻射，有時為具體確定哪根信號線上的干擾，還可以使用電壓探頭探測信號線上電壓頻譜。本文所使用電壓探頭為Agilent 1163A無源探頭（見圖2），10：1衰減，最大頻率1.5GHz，輸入阻抗500Ω，輸出阻抗50Ω，可直接接頻譜儀。由于，信號線上傳輸?shù)氖请妷海裕还芨蓴_是由于電壓（電場輻射）還是電流（磁場輻射）引起的，使用電壓探頭都可以具體定位到某個信號線。使用該電壓探頭探測信號線時需注意探頭的低輸入阻抗，它只適合低阻低電壓電路的探測。此外，探測時接地端引線要盡量短。

2.2 GPS干擾源近場探測方法

對于因EMI干擾造成GPS接收靈敏度下降的問題定位，應(yīng)首先從傳導(dǎo)著手進行分析。對于GPS電路，走線數(shù)量固定，傳導(dǎo)干擾可能的途徑比較明確。對GPS電路傳導(dǎo)路徑分析時，一般對電源、串口線、地線等幾根連接線進行分析定位。電源噪聲一般是由于電源電路或去耦電路設(shè)計不良引起；串口線可能會通過耦合將數(shù)字高頻干擾傳導(dǎo)或耦合到GPS電路上；當?shù)鼐€阻抗太高時，地上的共模噪聲也會傳導(dǎo)給GPS電路。此時，干擾源定位可以通過使用示波器探測相應(yīng)電源紋波，也可Agilent 1163A探頭配合頻譜儀探測相應(yīng)信號線噪聲頻譜。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的情況下，不是因為連線傳導(dǎo)對GPS電路產(chǎn)生嚴重干擾。這時就需要分析干擾源輻射通過GPS接收天線接收形成的干擾。由于近場對GPS天線敏感的噪聲，干擾頻率比較高、頻譜比較窄、能量也比較小，使用通用的近場探頭或遠場探頭無法探測此類機內(nèi)噪聲。可以使用內(nèi)置GPS有源天線和外接GPS有源天線（見圖3）、饋電盒、頻譜儀等儀器組成的探測工具進行噪聲源定位。

在分析定位GPS接收天線受到的EMI干擾時，首先將PND內(nèi)置有源天線連接至頻譜儀，在機內(nèi)天線位置接收干擾頻譜，然后通過外接GPS有源天線近場掃描確定機內(nèi)干擾區(qū)域，并通過電壓探頭確定具體干擾信號線。

同樣，在分析跟蹤干擾源時，也需要密切觀測近場掃描噪聲和天線位置接收噪聲的頻譜曲線特征。

2.3 PND中EMI整改方法

EMI干擾源和干擾路徑位置確定后即可針對具體情況進行整改，整改的原則是：以抑制（消除干擾源）為主，圍堵（消除干擾路徑）為輔；以使用已有電路（現(xiàn)有電路或預(yù)留）為主，外加措施為輔；以低成本為主，盡量避免重新設(shè)計；重新設(shè)計前先進行試驗驗證。

GPS干擾源噪聲的抑制和圍堵方法與EMI干擾源噪聲處理方法基本一樣。不過，由于對GPS形成干擾的頻率高達1.575GHz，處理該干擾信號時，措施實施時要充分注意各器件的高頻寄生參數(shù)；又由于GPS頻帶很窄（20MHz帶寬），還可以用移動干擾頻率點的方法將干擾源頻點移出該頻帶。

3. EMI定位和整改示例

3.1 使用近場探頭分析解決EMI問題

某款PND設(shè)計時發(fā)現(xiàn)其EMI測試超標，頻譜波形如圖4，測試標準為CISPR22 Class B，測試時使用通過CE認證的外接電源，GPS功能打開。

從測試的頻譜看，超標的頻率點有86.6、120、126、156、190MHz等。查看PND發(fā)現(xiàn)，機器內(nèi)部使用了高分辨率的液晶屏，顯示像素數(shù)比通用液晶屏加大4倍。屏的時鐘頻率為34.6MHz，數(shù)據(jù)線最高頻率為17.3MHz。這些超標的頻率點基本和屏的數(shù)據(jù)/時鐘頻率相關(guān)：86.6MHz為17.3MHz的5倍頻，121MHz是17.3MHz的7倍頻，156MHz是17.3MHz的9倍頻，190MHz是17.3MHz的11倍頻。從以上分析可以發(fā)現(xiàn)干擾更多是由屏的數(shù)據(jù)線輻射引起的。使用近場探頭整機掃描時證實整機除屏及屏的排線上產(chǎn)生較強的磁場干擾外，其他部分EMI情況良好，且屏排線上測量的近場輻射頻率點和遠場EMI輻射基本一致。見圖5（a）整改前，近場輻射明顯存在遠場測試EMI超標的頻率點。

由于LCD屏排線較長，這些強輻射的頻率點會以LCD排線為天線向外輻射。而且，超標的頻率點為中低頻率，能量較大。在EMI整改時一定要盡量抑制噪聲源配合圍堵。整改措施有以下三個：

1）由于LCD點頻無法調(diào)整，故而調(diào)整顯示幀率以減少數(shù)據(jù)刷屏次數(shù)，抑制噪聲功率。2）加強對LCD數(shù)據(jù)/時鐘線上高頻諧波濾波效果。將數(shù)據(jù)線上RC濾波電路R、C數(shù)值增加，降低濾波電路截止頻率點，提高對信號線上100MHz噪聲的濾波效率。3）加強外殼屏蔽。使得LCD金屬外殼與塑料外殼內(nèi)部屏蔽鍍層相連，在主板屏蔽殼、LCD金屬外殼間加導(dǎo)電泡棉。

經(jīng)過以上措施整改后，將處理過的樣機進行遠場EMI標準測試，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)頻率點干擾降低很多，如圖6（b），整機可以通過相關(guān)標準測試。

3.2 使用近場探測方法解決EMI對GPS靈敏度的影響

某款PND設(shè)計樣機測試時發(fā)現(xiàn)其GPS靈敏度異常，與標準要求相差2dB。測試GPS電路電源、地、串口等連接線未見明顯傳導(dǎo)噪聲干擾。使用內(nèi)置GPS天線接收發(fā)現(xiàn)在1.575GHz（放大器帶寬為30MHz）內(nèi)存在明顯干擾，如圖7（a）。使用有源天線近場測試，發(fā)現(xiàn)其電池、耳機插座上有明顯干擾。分析發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品設(shè)計的電池電源VBAT、VCC和數(shù)字線并行走線。使用電壓探頭測試，電源線VBAT、VCC頻譜與鄰近的數(shù)字走線頻譜從低頻到1.5GHz都比較相似。將VCC、VBAT所有露出走線的過孔上對地加1000pF電容，測試后發(fā)現(xiàn)內(nèi)置GPS天線接收到的干擾明顯降低，如圖7（b）。

對整改后的整機再作GPS靈敏度測試，發(fā)現(xiàn)其接收靈敏度提高3dB達到標準要求。由于，增加的電容在PCB上未預(yù)留，該整改措施需要重新布板時實施。為預(yù)防類似情況發(fā)生，要求PCB設(shè)計時，加強對串擾干擾預(yù)測和處理；在VCC、VBAT等系統(tǒng)供電走線上增加電容，走線每次換層，在過孔的附近增加1000pF去耦電容。

4 小結(jié)

對于電子產(chǎn)品來說，電磁干擾是非常令人頭痛的問題，雖然電磁學(xué)方面的理論已經(jīng)很完備，但是由于電磁波產(chǎn)生的原因是多方面的，而且電磁輻射只能減小，不能徹底消除，因此我們只能預(yù)測電磁波的產(chǎn)生，同時使用軟件來仿真電磁波可能產(chǎn)生的各種情況，從而來盡量減小電磁輻射;并在后期通過儀器來檢測電磁波的輻射，使用各種措施來盡量減小電磁輻射，生產(chǎn)出符合要求的規(guī)范產(chǎn)品。

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