電路設計中的EMI問題分析

朱小流，宋 穎

(南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著技術的發展，通信設備逐漸向高速率、大帶寬、低功耗和小型化等方向發展，這種趨勢導致了系統電磁兼容設計難度越來越大，成為急待解決的技術難題和系統工程。電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)方式主要有傳導和輻射兩種，包括干擾源、耦合通道和敏感體3個要素，EMI的設計一般從這3個方面進行著手。本文通過一個簡單實例對電路中的EMI問題進行探討。

1 EMI產生

面對通信設備的高速率、大帶寬、低功耗和小型化發展趨勢，設計人員必須選用高集成度、高處理速率的元器件，來幫助滿足客戶需求。此類器件需要使用高速時鐘(CLK)、高速數據(DATA)信號及其他大量的數字信號一起協同完成對用戶信息的處理，這樣勢必會產生大量的高次諧波分量，嚴重時還會引發大量的交調分量。這些高次諧波信號的嚴重性在于其會對設備中的其他部件如射頻部件、電源部件，甚至對地電平產生較大的干擾，從而導致模擬信號質量變差、基準源惡化，嚴重時可能會導致系統無法正常工作[1]。

本文所舉例的通信設備采用了集中電源管理方案，數字基帶部件的電源電路和射頻部件的電源電路分布于同一塊電路板，電源模塊的設計不當往往導致各種各樣的干擾，給設備的整體性能帶來嚴重影響。

本文所舉例的通信設備選用了大量的開關電源來降低功耗，提升電源利用效率。當幾個開關電源緊靠在一塊工作時，相互間也容易產生影響，導致輸出電源疊加大量的多頻紋波和噪聲，并且很難通過電感和電容等手段進行處理。同時，開關電源的輸出一旦被多種高頻信號干擾后，就會導致其輸入端產生大量的電源噪聲，從而影響其他電源模塊的輸出電源質量，特別是射頻電源，嚴重時會導致射頻信號的相噪指標惡化5～10 dB。

2 EMI處理

本文所舉例的通信設備在研制過程中曾經遇到過嚴重的EMI問題，數字電路產生了大量的高頻輻射，通過電源模塊串擾，導致了射頻輸出信號的相噪指標嚴重惡化。下面針對這個EMI問題進行分析，并給出解決措施[2]。

設備包含基帶模塊、射頻模塊及電源模塊，統一安裝在體積為24 cm×30 cm×15 cm的機箱內。基帶模塊工作時產生了最高300 MHz的一系列高頻干擾信號，嚴重影響到電源的輸出質量，設備電源板的設計框如圖1所示。

圖1 電源設計框

基帶電源和射頻電源輸入端直接連接在一起，兩個模塊并排在同一塊電路板上。

經測量和分析，發現基帶模塊通過電源連接線對基帶電源形成干擾，進而影響到了電源輸入。因放置位置和布線的關系，電源模塊通過共用的電源輸入及空間輻射對射頻電源形成了嚴重干擾，導致射頻電源輸出質量變差，最終輸出射頻信號相位噪聲惡化[3]，如圖2—3所示，近端相位噪聲和指標最大惡化了10 dB左右。

圖2 近端相位噪聲-49 dBc/Hz@100 Hz

圖3 遠端相位噪聲-76 dBc/Hz@10 kHz

確定了干擾源和干擾通道，需要進行相應的處理；經上述分析，解決此EMI問題的關鍵在于電源的處理，采取以下措施：

(1)拉大基帶電源模塊和射頻電源模塊間的距離，減弱空間輻射的干擾，如圖4所示。

圖4 處理后的電源板

(2)每個模塊的輸入端加PI型濾波電路，如圖5所示；圖6為PI型電路的S21曲線，可以看出對近端和遠端的噪聲均有很好的抑制。

圖5 PI型濾波電路

圖6 PI電路S21曲線

(3)每個模塊的輸出端加電容進行濾波處理，電容選擇ESR較好的貼片式鋁電解電容。

經處理后的電源板可以輸出高質量的電源供射頻模塊使用，設備最終的輸出射頻信號相位噪聲高出指標5 dB，較原來有15 dB的改善，如圖7—8所示。

圖7 近端相位噪聲-65 dBc/Hz@100 Hz

3 結語

隨著用戶對性能和使用的需求不斷提高，通信設備向著小型化、寬帶、低功耗等方向快速發展，隨之而來的EMI問題將會更加突出。通過實踐，有時采用一些簡單直接、費用低廉的技術方法就可以解決問題。