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数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

2019-06-25 09:38
可靠性杂坛
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一、现象描述

某款数码相机有一USB接口,外壳是塑料材质,内部控制电路印制板是双面板。进行辐射骚扰测试时,该数码相机的USB接口与计算机相连,并进行数据通信以模拟实际工作情况。

3 m法半电波暗室中的测试结果如图1和图2所示。图1为辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图,图2是辐射骚扰测试接收天线垂直极化时的测试频谱图。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图1 辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图2 辐射骚扰测试接收天线垂直极化时的测试频谱图

从图1和图2可以看出,该数码相机在辐射接收天线水平极化的情况下,有一点(频率为148.34 MHz)超过了EN55022标准中规定的CLASS B限值线的要求,还有一点(频率为194.9 MHz)只有0.38 dB的余量。该数码相机在辐射接收天线在垂直极化的情况下,也有几点只有很小的余量。

二、原因分析

USB接口能提供双向、实时数据传输,具有即插即用、可热插拔和价格低廉等优点,目前已成为计算机和数码相机等信息电子产品连接外围设备的首选接口。时下流行的USB 2.0具有高达480 Mb/s的传输速率,并与传输速率为12 Mb/s的全速USB 1.1和传输速率为1.5 Mb/s的低速USB 1.0完全兼容。这使得数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机等消费类产品可以与计算机进行高速、高性能的数据传输。

另外值得一提的是,USB 2.0的加强版USB OTG可以实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。USB接口的传输速率很高,周期信号及信号的谐波会通过传输电缆产生辐射骚扰。另外控制芯片和接口芯片在产生信号时,芯片的地与电源之间也会随信号的摆动,产生噪声。因此,通常用以下四种方法来抑制USB接口的EMI噪声,如图3所示。

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图3 USB接口的EMI噪声

抑制措施(1)USB接口电缆会采用屏蔽电缆。(2)在USB接口电缆上套上铁氧体磁环。(3)而差分线对上则串联一个共模电感。共模电感由两根导线同方向绕在磁芯材料上,当共模电流通过时,共模电感会因磁通量叠加而产生高阻抗;当差模电流通过时,共模电感因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。如某型号为SDCW2012—2—900的共模电感在100 MHz的差模阻抗仅为4.6 Ω,如图4所示。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图4 共模电感频率衰减特性曲线

从图4所示的衰减特性也能看出,在USB接口电路中的共模电感对差分信号不会造成影响,主要是针对共模电流进行选择性的衰减。(4)USB接口电路和控制电路电源良好的去耦也是降低USB接口电路EMI噪声的重要部分。检查本案例中的数码相机,首先发现,数码相机侧的USB屏蔽电缆的屏蔽层与USB接口金属连接器采用的是“Pigtail”的连接方式,即屏蔽层在靠近金属连接器时,拧成一股长约3 cm的线,再焊接在金属连接器上。这是一个明显的连接缺陷,Pigtail的存在,相当于在屏蔽层上串联了一个数十纳亨的电感,它能够在接口的电缆屏蔽层上因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。

随着频率的增大,Pigtail连接的等效转移阻抗也将迅速增大,这样不但会使屏蔽电缆完全失去屏蔽效果,而且可能产生额外的骚扰。改变数码相机中屏蔽电缆与金属连接器的连接方式,即将屏蔽电缆屏蔽层与连接器金属外壳进行环形360°搭接。更改后辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图和更改后辐射骚扰测试接收天线垂直极化时的测试频谱图分别如图5和图6所示。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图5 更改后辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图

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图6 更改后辐射骚扰测试

接收天线垂直极化时的测试频谱图可见,在148.34 MHz的频率处,辐射下降了近4.5 dB,但是离限值线的余量较小。进一步检查数码相机中印制电路板的电路原理,发现控制芯片的电源采用磁珠与电容进行去耦,其中去耦电容C28大小为0.1 μF,如图7所示。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图7 USB接口部分电路原理图

实际上0.1 μF的贴片电容并不能很好地为100 MHz以上频率去耦,原因主要在于两个方面:一是电容本身存在寄生电感;二是去耦电流回路上存在的电感。对于一个理想的电源来说,其阻抗为零,在平面任何一点的电位都是保持恒定的(等于系统供给电压),然而实际的情况并不如此,而是存在很大的噪声,甚至有可能影响系统的正常工作,去耦电容就是为了降低电源阻抗,保证器件附近的电源稳定在波动较小的范围内。0.1 μF的陶瓷贴片电容的谐振点一般在十几兆赫兹,也就是说,0.1 μF的陶瓷贴片电容,只能在十几兆赫兹频率附近使电源的阻抗保持在较低的水平,这个频率离本案例中数码相机的辐射超标的频率点有一定的距离。

图8给出了接口芯片电源采用0.1 μF去耦电容时,在频率148.34 MHz点 上 辐 射 较 高 的 原 因。图8 中 箭 头 表 示148.34 MHz等 未 被0.1 μF电容很好地去耦的噪声向电源传输,又由于在该频率点上,电源阻抗较高,电源与地之间产生较高的压降。这样,相当于在电源与地之间形成了一个148.34 MHz的电压源,又由于数码相机是一个浮地系统,与地相连的电缆屏蔽层成了辐射的天线。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题图8 去耦不良形成辐射原理

查阅电容的频率-阻抗特性,得知1000 pF左右的贴片电容,如果保证最短的引线电感(引线电感较长,会使该电容失效),由于1000 pF的电容的自谐振频率是150 MHz附近,因此可以很好地对高频的噪声进行抑制,如图9所示,相当于噪声源被旁路,即噪声源的电压幅度降低,所示辐射骚扰自然也降低。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图9 并联1000 pF电容作用原理

按照原理分析,尝试用1000 pF并联在USB接口芯片的电源引脚上,即与0.1 μF去耦电容并联。再进行测试,结果如图10和图11所示,测试通过,证实了分析的正确性。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题

图10 并联1000 pF去耦电容后辐射骚扰测试接收天线水平极化时的测试频谱图

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图11并联1000 pF去耦电容后辐射骚扰测试接收天线垂直极化时的测试频谱图

三、处理措施

(1)改变屏蔽电缆屏蔽层与金属连接器的连接方式,取消原来的Pigtail,实现360°搭接。(2)为接口芯片的电源引脚增加1000 pF的电源去耦电容,并在PCB布局上靠近电源引脚放置。四、思考与启示(1)屏蔽电缆的屏蔽层与连接器的连接很重要,一定要保证360°搭接。(2)电源去耦电容的选择要考虑被去耦器件的工作频率及其产生的谐波,不要什么器件都用0.1 μF的电容,一般器件的工作主频20 MHz以下的建议用0.1 μF的去耦电容,20 MHz以上的器件用0.01 μF的去耦电容,也可以尝试采用大小并联电容的组合去耦方式,如0.1 μF电容与1000 pF的电容并联,以取得较宽频带的去耦效果,但是还是要注意大小电容容值相差100倍以上。(3)电源去耦对降低电源阻抗、降低电源噪声和地噪声有很大的帮助,由此对辐射骚扰抑制也有很大的帮助,特别是接口电路电源去耦,因为接口电路附近的电缆就是辐射的天线。(4)对于浮地设备,电源的去耦、电源和地的完整性对EMC来说显得更加重要。

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