基于近場(chǎng)分析的EMC設(shè)計(jì)

　　胡衡毅：大家好!我是村田電子的EMC工程師，我將利用這次機(jī)會(huì)和大家一起討論一下近場(chǎng)分析在EMC的應(yīng)用，我相信對(duì)于EMC大家已經(jīng)有一定的了解，隨著數(shù)字化的發(fā)展，我們?cè)絹?lái)越多的數(shù)字設(shè)備被應(yīng)用在電磁環(huán)境當(dāng)中，我們國(guó)家對(duì)EMC的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格，在這樣的情況下，我們不得不去面對(duì)和解決這樣的問(wèn)題，那在面對(duì)和解決這樣的問(wèn)題，我們首先要使得電磁波這樣看不見(jiàn)摸不到的東西變的直觀，今天我就會(huì)介紹一種方法，如何使這些電磁波變得直觀，那就是近場(chǎng)分析。

　　首先我會(huì)介紹一下EMC的狀況，這樣可以使大家更好的了解近場(chǎng)分析的必要性，第二個(gè)我們會(huì)介紹一下EMC近場(chǎng)分析的設(shè)備和方法。我們會(huì)在第三部分舉一些實(shí)際的案例分析。最后我們會(huì)做一個(gè)總結(jié)，來(lái)更好的回顧這些內(nèi)容。

　　首先我們來(lái)看一下關(guān)于EMC研究的狀況，我們也知道越來(lái)越多的數(shù)字設(shè)備進(jìn)入到我們的生活當(dāng)中，這些數(shù)字設(shè)備對(duì)于整個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)都是一個(gè)噪聲源，這些噪聲源他們是互相影響的，在這樣的情況下，電磁環(huán)境就變得相當(dāng)復(fù)雜，在這些噪聲源還沒(méi)有完全解決的時(shí)候，我們還面臨內(nèi)部噪聲的問(wèn)題，關(guān)于內(nèi)部噪聲的問(wèn)題我們選出了筆記本和手機(jī)，筆記本電腦我們都知道里面有很多的數(shù)字電路模塊，這些數(shù)字電路模塊扮演了我們前面所提到的一個(gè)一個(gè)數(shù)碼產(chǎn)品，無(wú)疑是一個(gè)干擾源，同時(shí)我們對(duì)于無(wú)線的需求，越來(lái)越多的無(wú)線通訊設(shè)備被集成在電路當(dāng)中，我們看一下手機(jī)，手機(jī)原來(lái)是一個(gè)通訊設(shè)備，主要的功能是通訊，有手機(jī)通訊和GPS的功能，隨著我們對(duì)掌上功能的追求，越來(lái)越多的芯片被集成，甚至我們對(duì)分辨率的要求提高，造成越來(lái)越多的噪聲源集成手機(jī)當(dāng)中，這樣就造成數(shù)碼產(chǎn)品的內(nèi)部電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，由于射頻元器件都有天線，我們整個(gè)內(nèi)部環(huán)境就變得相當(dāng)?shù)穆闊?，不容易解決。這樣的問(wèn)題，我們稱(chēng)之為系統(tǒng)內(nèi)部的EMC的問(wèn)題，由于內(nèi)部的天線接收到這種噪聲，天線接收信號(hào)并不會(huì)去區(qū)分是有用信號(hào)還是無(wú)用信號(hào)，當(dāng)這些噪音聲量變高，會(huì)造我們接受的靈敏度比較低，造成我們無(wú)線設(shè)備的無(wú)法連接，這就是我們提到的系統(tǒng)內(nèi)部的EMC問(wèn)題的原理。

　　我們?cè)诹私饬薊MC內(nèi)部系統(tǒng)原理之后，我們來(lái)看一下另外一個(gè)重要的問(wèn)題，關(guān)于這個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)它的噪聲能量有多強(qiáng)，我們可以看到我們的數(shù)字電視信號(hào)是在 -105到-170之間，我們是需要另外一種方式去監(jiān)測(cè)這些噪聲，接下來(lái)我們就介紹這樣一種方法，近場(chǎng)測(cè)量法。

　　首先我們會(huì)利用這樣一個(gè)磁場(chǎng)探頭，采集到磁場(chǎng)能量，我們通過(guò)磁場(chǎng)探頭采集到的能量，由于我們知道現(xiàn)在的集成度非常高，走線與走線的距離和器件和器件的距離非常近，我們?yōu)榱吮苊獯當(dāng)_到我們的探頭，我們選擇了比較好的探頭保持準(zhǔn)確的精確度，為了取得最大的磁通量，我們就會(huì)旋轉(zhuǎn)探頭來(lái)達(dá)到這樣的目的，對(duì)于這樣一個(gè)方法，大家有的時(shí)候可能會(huì)疑惑，我們?yōu)槭裁礇](méi)有選擇電場(chǎng)探頭，而是選擇磁場(chǎng)探頭，電場(chǎng)探頭不可避免會(huì)影響我們電場(chǎng)的方向，會(huì)影響我們的測(cè)量結(jié)果。這里來(lái)看一下，這是我們的測(cè)試結(jié)果，我們通過(guò)不同的顏色來(lái)表示不同的能量等級(jí)，我們?cè)诳从疫呥@張圖相比這兩張圖我們很容易找到紅色的區(qū)域，這樣可以找出噪聲源，紅色區(qū)域是我們的IC區(qū)域，通過(guò)對(duì)比我們就可以很容易得出一些分析結(jié)果，這就是我們利用近場(chǎng)分析做的一些測(cè)試和結(jié)果。

　　接下來(lái)就是第三部分，關(guān)于第三部分是我們會(huì)比較直接的介紹一下實(shí)際的案例，利用這些案例向大家說(shuō)明我們?nèi)绾卫媒鼒?chǎng)分析來(lái)解決這些問(wèn)題。首先來(lái)看我們會(huì)先介紹手機(jī)靈敏度，現(xiàn)在主要是關(guān)于手機(jī)當(dāng)中一個(gè)問(wèn)題，我們手機(jī)集成了很多IS的信號(hào)和設(shè)備，不單單是傳統(tǒng)的，還有數(shù)字電視，這樣的情況就造成一個(gè)情況，我使用的RF頻段也越來(lái)越寬，可能會(huì)從400多兆一直覆蓋到2.4G，這樣的情況同樣還有一個(gè)問(wèn)題，就是我們的噪聲源，我們?cè)絹?lái)越多的數(shù)碼娛樂(lè)集成了更多的噪聲源，比如說(shuō)這里的控制芯片，還有攝象頭模塊，而這些模塊由于我們對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理，它所產(chǎn)生的噪聲諧波范圍也越來(lái)越寬廣，產(chǎn)生內(nèi)部系統(tǒng)噪聲靈敏度下降的問(wèn)題。在介紹手機(jī)靈敏度之前，先介紹一下我們做這樣分析的流程是什么樣的，我們看一下這張圖，我們首先會(huì)測(cè)試一下手機(jī)靈敏度的狀況，我們推薦的一個(gè)模式，這種模式就是要把所有的功能模塊都打開(kāi)，這樣可以取得最差的一個(gè)狀況從而進(jìn)行分析，因?yàn)槲覀冎绬螁沃皇谴蚴謾C(jī)的狀況下和打開(kāi)其他模塊的設(shè)備的情況下是不一樣的，初始環(huán)境之后我們進(jìn)行近場(chǎng)分析，我們可以得到這樣一個(gè)分布圖，通過(guò)這樣一張圖我們就可以更好更快的找出有效抑制噪聲的方法，找出方法之后，我們可以再次進(jìn)行驗(yàn)證，這是一個(gè)實(shí)際案例，我們通過(guò)抑制噪聲從而提高了靈敏度，紅線是之前的情況，黑線是之后的結(jié)果。接下來(lái)我們會(huì)介紹一個(gè)實(shí)際的案例，我們選擇的是日本CDMA的手機(jī)，我們選擇軟排線，我們針對(duì)這樣一個(gè)情況進(jìn)行了一個(gè)分析，這邊是我們的分析測(cè)試結(jié)果，我們可以看到最原始的狀況下，我們選擇了待機(jī)測(cè)試狀態(tài)，靈敏度還是非常優(yōu)質(zhì)的，通過(guò)近場(chǎng)分析，我們可以看到整個(gè)是藍(lán)色，造成整個(gè)噪聲能量等級(jí)都很低，在這樣的情況下我們打開(kāi)攝象頭，我們發(fā)現(xiàn)靈敏度降低了5個(gè)DB，我們看到這個(gè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)的是一個(gè)區(qū)域和軟排線區(qū)域， 我們可以看到整個(gè)噪聲能量等級(jí)已經(jīng)比前面高很多，這就證明了在這個(gè)范圍之內(nèi)存在著噪聲，而我們對(duì)比這兩個(gè)結(jié)果，很明顯噪聲對(duì)我們的靈敏度有一定的影響，還有需要打開(kāi)前面所有的功能模塊，這就是為什么打開(kāi)所有的工作模塊才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。針對(duì)這樣的情況，我們導(dǎo)入了一個(gè)濾波器，在加入這個(gè)接口處之后，我們可以看到紅色的區(qū)域被有效的遏制住，意味著我們的噪聲能量等級(jí)下降了，同時(shí)我們?cè)龠M(jìn)行一個(gè)靈敏度的測(cè)試，我們的靈敏度相比在沒(méi)有濾波器的情況下，我們的靈敏度提高了3個(gè)dB。

　　這里是我之前提到的一個(gè)RF的濾波器，這個(gè)案例所涉及的范圍是數(shù)據(jù)線，對(duì)于數(shù)據(jù)線上的濾波，我們要關(guān)注兩大點(diǎn)，一個(gè)是信號(hào)的完整性和抑制，為了保證有良好的信號(hào)完整性，我們就選擇了LC的濾波器，我們可以保證我們信號(hào)良好的通過(guò)，而信號(hào)被很好的濾除。接下來(lái)會(huì)介紹一下我們?cè)跍y(cè)試版上做的分析，首先我們會(huì)做一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)上的分析，大家知道因?yàn)楦咚傩盘?hào)的應(yīng)用越來(lái)越多，同時(shí)我們的差分信號(hào)也被應(yīng)用越來(lái)越多，我們還是會(huì)遇到很多噪聲的問(wèn)題，這些問(wèn)題產(chǎn)生的問(wèn)題就是共模噪聲，在這里 我們就做了一塊分析板，這是一個(gè)發(fā)射端的IC還有一個(gè)接收端的IC。

　　我們可以來(lái)看一下，這里是我們的分析和測(cè)試的結(jié)果，我們看一下原始的情況，我們沒(méi)有加入任何的濾波器，我們可能在右側(cè)有很明顯的紅色區(qū)域，意味著我們這塊地方含有噪聲，同時(shí)我們數(shù)據(jù)線上的能量等級(jí)也是相當(dāng)高的，在這樣的情況下我們導(dǎo)入了一個(gè)共模扼流線圈，我們可以看到對(duì)比原始的狀態(tài)，我們?cè)谑褂脼V波器后噪音得到了很好的抑制，同時(shí)在紅色區(qū)域也得到明顯的減少，我們的噪音不再傳播在我們的接受端，通過(guò)這樣的近場(chǎng)分析，我們可以清晰的感受到濾波器對(duì)于噪音濾除的效果。在這里我們之前提到的是使用共模扼流線圈，我們使用的是差分信號(hào)線，共模扼流線圈可以有效的濾除噪音，保留信號(hào)，由于我們知道差分走線的時(shí)候，我們這邊會(huì)提供一個(gè)共模扼流線圈排這樣的產(chǎn)品，可以更好的減少面積。這是數(shù)據(jù)上的分析，然后我們會(huì)介紹一下關(guān)于電源板上的噪音分析。

　　我們知道DC-DC現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電視當(dāng)中，它也是很大的噪音源，會(huì)影響到手機(jī)的接受，我們可以看到DC-DC會(huì)產(chǎn)生一些尖峰噪聲通過(guò)地耦合到整個(gè)板上去，針對(duì)這樣的噪聲問(wèn)題，大家也有解決方案，這是模擬了手機(jī)的狀態(tài)，我們加入了DC-DC的模塊，我們可以來(lái)看一下，這是我們的分析和測(cè)試結(jié)果，這邊我們是使用了陶瓷電容作為濾波，這邊是使用三端子電容作為濾波，我們對(duì)比可以看到DC-DC的噪聲通過(guò)地，就意味著通過(guò)DC-DC噪音通過(guò)地傳播到整個(gè)板上， 這個(gè)近場(chǎng)分析就很明顯顯示了這個(gè)效果，黃色區(qū)域面積基本上沒(méi)有，意味著我們的傳導(dǎo)路徑被很好的切斷，這個(gè)案例分析了DC-DC轉(zhuǎn)化器噪音的解決方案。這邊的話是我們前面提到使用三端子電容的情況，我們可以從這張圖可以看到，三端子電容會(huì)比陶瓷電容有很好的表現(xiàn)效果，這就是在DC-DC端濾波效果更好的原因所在。

　　接下來(lái)我們將會(huì)看一下近場(chǎng)分析，和遠(yuǎn)場(chǎng)分析相結(jié)合的分析方法，我們這里是使用輻射噪聲進(jìn)行分析，電波暗室當(dāng)中有一些缺陷是不可避免的，首先是我們可能只能得到一張頻譜圖，還有我們受限于時(shí)間和資源的限制。我們找到了近場(chǎng)分析比較好的分析方式，去彌補(bǔ)這樣的缺陷，接下來(lái)我們就看一下，這是一個(gè)回路，我們先使用近場(chǎng)分析測(cè)量這方面的情況，我們可以看到在這些數(shù)據(jù)線上存在著噪聲，就意味著噪聲通過(guò)這個(gè)接口，以軟排線進(jìn)行輻射，我們很容易找到噪聲的輻射途徑和耦合途徑，我們這邊使用的還是差分信號(hào)，我們還是使用共模扼流線圈，然后我們可以很明顯的發(fā)現(xiàn)軟排線對(duì)于軟排線的情況，紅色區(qū)域明顯的減少，就意味這我們的噪聲很好的被抑制，在這種情況下，我們可以看到一些我們平時(shí)做其他實(shí)驗(yàn)，做電波暗室很難得到的效果。完成了近場(chǎng)分析之后，我們還是要進(jìn)行電波暗室，我們可以看到相比前面的結(jié)果，我們近場(chǎng)分析也是顯示了很好的抑制效果，那么在遠(yuǎn)場(chǎng)我們也看到整個(gè)輻射噪聲被降低了，另外近場(chǎng)的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)我們不能只給作為數(shù)字對(duì)比，因?yàn)榇蠹也捎玫姆椒ㄊ遣灰粯拥?..