DVD數字視盤機電磁干擾設計方案

概述：電磁干擾是電子產品一個不容忽視的問題，在設計時就應該采取措施，良好的設計將減少設計時間和產品成本。從國家標準化組織對電磁干擾的要求出發，分析了數字視盤機產生電磁干擾的三個主要原因，由此有針對性的從開關電源、音頻／視頻輸出和PCB電路板三個方面展開討論，設計分析了抑制電磁干擾的幾種方法，并通過了EMI測試。

??? 電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)指一個電子設備不斷向它所處的環境排放超過允許范圍的干擾。為了保護環境，國家標準化組織已制訂了若干強制性標準，要求電子設備生產廠家必須將其產品的電磁干擾降到一定的程度。因此，從設計開始就必須注重電子設備的EMI設計，從元器件、連接器的選擇、印刷板的布局布線、接地點等各方面進行綜合考慮，降低電磁干擾。本文以DVD-1000數字視盤機為例，介紹EMI設計的一點體會。

1 EMI設計要求
??? 對于電子產品的EMI要求，我國于1997年7月頒布了“GB13837-1997《聲音和電視廣播接收機及有關設備無線干擾特性限值和測量方法》標準”，該標準具體規定了五種電磁干擾的限值。
??? (1)注入電源的騷擾電壓。在9～30 kHz范圍內，若電子設備注入電網的干擾電壓超過66 dBμV，干擾信號將通過電源網對其他設備造成嚴重干擾，從而使其他設備性能降低或無法正常工作。
??? (2)天線端騷擾電壓。當接收設備外接公用天線或天線間非常接近時，干擾信號很容易通過分配電纜或天線間耦合造成相互干擾。
??? (3)射頻輸出器有用信號和騷擾信號電平。當設備射頻輸出端與其他設備連接時，如果設備的射頻輸出有用信號及其諧波電平太高，產生的高頻諧波輻射將對臨近設備產生干擾。
??? (4)輻射騷擾場強或功率。廣播接收機的本振及其諧波、一中頻單元輻射場強不能過高，否則會污染電磁環境。
??? (5)騷擾功率。聲頻功率放大器、音視盤機等設備在頻率30 MHz以上的輻射主要是通過與其相連的電源線及其他連線向外輻射能量。當電源線和其他連線上的騷擾功率峰值大于55 dBμV時，將影響其他設備的正常工作。

2 數字視盤機的EMI傳播機理
??? EMI的傳播主要分為傳導干擾和輻射干擾兩種。輻射干擾是指各系統之間的干擾，它把電子產品內部所產生的各種頻率干擾通過引線和元器件以空間電磁波的形式向外輻射電磁場，從而對其他電子設備形成干擾。例如：DVD視盤機的高頻信號線、各類接插件都可能成為具有天線特性的輻射干擾源。傳導干擾則是系統內部通過導電介質以傳導的方式把信號耦合而形成的干擾，它一般是由于阻抗的交連(電源內阻、地線之間的阻抗)、互感的交連(指導線之間)以及寄生電容的交連而引起的內部干擾。例如：電視機的行輻射。
??? 消除或減少電磁干擾的具體方法有很多，主要有屏蔽技術、電源濾波、接地技術以及采用EMI器件。對于DVD數字視盤機，由于沒有天線和射頻輸出端口，其天線端騷擾電壓很小，大多低于30 dBμV，其主要傳播途徑有以下幾種：開關電源產生的脈沖電流和電壓的變化很快，形成的開關電源開關脈沖及高次諧波通過元器件和電源線向外輻射和傳導，產生電磁干擾；音頻／視頻輸出信號通過音頻／視頻信號連接線向外輻射；數字電路工作需要的各種時鐘信號及其高次諧波，如CPU芯片工作時鐘、MPEG解碼器工作時鐘、視頻同步時鐘(27 MHz，16．934 4 MHz，40．5 MHz)形成的干擾脈沖，通過元器件向外輻射。

3 EMI設計
3．1 開關電源的EMI設計
??? 開關電源是電子設備的重要組成部分。電子設備中運行的電信號相對開關電源在幅值和能量上要小得多，這意味著開關電源通常是電子設備的最強干擾源。開關電源產生干擾的原因很多，如由于外部電網中負載、電壓的隨機變化造成開關電源的輸入電流含有較多的噪聲；內部的功率開關管在截止和導通之間的高速切換產生豐富的高次諧波干擾，整流二極管反向恢復時產生的突變尖峰電流干擾，高速率變化的電壓和對地分布電容產生的傳導干擾等。在DVD數字視盤機中，為了減小開關電源的EMl干擾，采取了以下措施：
3．1．1 開關變壓器的EMI設計
??? 為減少電源電路中的干擾，首先開關變壓器采用反激式激勵方式，反激式變壓器開關電源的原理圖如圖1所示。Ui為開關電源的輸入電壓，T為高頻變壓器，SW為控制開關。由于整流二極管的存在，反激式開關電源在控制開關接通期間不向負載提供功率輸出，僅在控制開關關斷期間才把儲存能量轉化為反電動勢向負載輸出，因此，輸入電源出現變化時，開關電源不能立即對輸出電壓和電流產生反映，只有到下個工作周期中電源關斷時才起作用，即反激式開關電源輸出電壓的瞬態反應較遲緩；同時由于儲能濾波電容的容量很大，使輸出電壓穩定，減少了高頻干擾。
??? 另外，反激式電源變壓器應注意變壓器氣隙的大小，氣隙越大變壓器的帶負載能力越強，但變壓器的漏感越大，在滿足帶負載能力的前提下，漏感要盡量小些，以減小漏感產生的干擾。同時，為了減小原、副邊的雜散電容．在變壓器的初次級之間加入一層銅層屏蔽層，切斷初次級的干擾傳播通道。
3．1．2 開關變壓器輸出濾波器設計
??? 良好的濾波技術對于開關電源的EMl具有明顯的效果。在開關變壓器輸出端接入LC共模一差模濾波和π型濾波器(如圖2所示)，來抑制開關電源中的EMI干擾。Cx為電源跨接電容，濾除共模干擾信號，常用陶瓷電容或聚脂薄膜電容，取0．22～0．47μF；Cy為旁路電容，濾除差模信號，在4 700 pF以下，電容量過大會影響設備的絕緣性能；L1是共模線圈，由兩個繞在同一個高導磁率磁芯上的繞組組成，感量為幾十mH。調整電感、電容，使諧振頻率與干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對頻率很高的電磁干擾，可以使用三端電容或穿心電容進行濾波。
??? 另外，Cx及Cy的引線和連接地引線應盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經過電容旁路到地線；濾波器盡量靠近輸入端口．避免濾波器輸入輸出發生耦合，而失去濾波作用。

3.l.3 采用MOS型開關集成電路
??? 采用STR6651 MOS型開關集成電路，它是一種多數載流子運動的半導體器件，所需要的驅動功率小，則驅動電路的元器件電磁輻射的能量小。另外，該開關集成電路內含脈沖尖峰吸收電路，使得尖峰干擾大為減少。
3．2 音頻／視頻的EMI設計
3．2．1 采用具有濾波連接器的電纜
??? 在音頻／視頻設計中，最薄弱的EMI設計環節為連接設備的電纜。普通屏蔽電纜是金屬編制網，上面的孔洞會在高頻時產生泄露，不能滿足對于高頻干擾的屏蔽。為此采用了帶有濾波連接器的電纜，在每個連接器的孔上面安裝了一個低通濾波器，消除了信號線上面的高頻干擾。從而減小了電纜上面的輻射。
3．2．2 在音頻／視頻輸出口串接EMI器件
??? 不同的EMI器件，其高頻衰減頻率不同，其參數選擇應根據EMI試驗確定。例如在DVD-1000數字視盤機中，音頻EMI的參數為：在100 MHz時，Z=(1 000±250)Ω。這樣，輸出信號的高頻能量大大減小，即高頻干擾大大減小。
3．2．3 音頻／視頻輸出的布線
??? 為降低接地電阻，消除分布電容的影響，音頻／視頻輸出RCA座采用大面積接地，其接地端和金屬外殼相連；同時加強對視頻D／A、音頻D／A的設計，使之輸出信號中的高頻諧波分量很小。3．3 PCB板的EMI設計
??? 在器件的布局上注意EMI設計，各功能電路以核心芯片為中心，相關元件布置在核心芯片周圍；各功能電路信號流暢，盡量減少信號回流的現象；干擾器件盡量遠離鍵板、遙控接收板等I／O端口和連接線；各信號連接線不能跨過干擾很大的電路；合理安排復位電路、時鐘電路，要盡量靠近器件引腳；合理安排濾波電容的位置，濾波電容要盡量靠近需要濾波的器件引腳等。
??? 在PCB板布線中，模擬和數字電路一定要在其功能區域內走線，優先布重要器件及重要信號(時鐘／地址／數據／復位線等)以確保這些連線最短；晶體振蕩器的金屬外殼要良好接地，晶振器件下面不得走信號線；對于連接線端子、I／O端口的EMI器件一定要放置在連接線端子、I／O端口傍，且信號走線一定要先經過EMI器件再到端子等。
3．4 DVD數字視盤機的EMI測試結果
??? DVD-1000數字視盤機經過以上EMI設計和措施，有效地減小了高頻干擾，通過了國內的EMI試驗。圖3．圖4為L端及N端的注入電源騷擾電壓試驗報告。

4 結 語
??? DVD數字視盤機有許多潛在的輻射源，它可以干擾環境，使設計不能通過3C論證。作為設計人員，應及早貫徹EMI的意識性，消除電磁干擾，從根本上提高產品的質量與可靠性。