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干掉高速数字接口中EMI的七种武器

2016-04-27  charleyca...

小尺寸且低成本的高速串行(HSS)接口对那些必须要体积小、功耗低、重量轻的移动设备尤为可贵。当移动设备必须与远程网络通信时,会发生电磁干扰(EMI),因为现代HSS接口使用的数据速率往往高于移动设备所使用的无线通信频率。


电磁科学告诉我们(根据麦克斯韦方程):电子移动时,一定会产生射频信号。在设计时,可采用七种主要技术管理EMI,它们是:隔离、信号幅值、偏移范围、数据速率、信号均衡、压摆率控制和波形整形。这些技术各有不同功用,接下来我们将逐一讨论。


隔离


物理隔离可能是最显而易见的技术。对射频信号来说,如果我们能将其“屏蔽”,那它就不会干扰任何其他信号。虽然隔离永远不会尽善尽美,且在蜂窝或无线局域网频率,实际的隔离分贝值在20~40dB之间。达到这种水平的隔离对解决EMI问题通常必不可少。因此,仔细测量IC封装和PCB布局可提供的隔离非常重要。



图1:用于当代表贴射频封装的一个可能的隔离罩。


信号幅度


降低接口信号的幅值肯定会降低EMI,但效果不大。若信号幅值降低一半,EMI仅降低6dB。这可能足以摆脱一个闭锁问题(close problem),但该方法也同时降低了接收器裕度,并可能导致接口错误。基于此,最好是将其作为应对EMI问题的最后手段。


漂移和平衡


漂移是差分信号的两个分量间的时间偏移。平衡是差分信号两个分量间的幅度匹配。这两个参数基本由接口驱动器电路决定,且最好将其一起分析。如图2所示,当信号平衡在10%以内,与漂移造成的EMI影响比,信号平衡的确切值显得没那么重要。这意味着,从EMI的角度看,设计接口驱动电路时,尽量减少漂移远比致力幅值平衡事半功倍。



图2:信号平衡和漂移的组对比。该图表明,管理漂移比得到一个非常闭合的信号平衡要重要得多。甚至在2%的UI漂移时,信号平衡误差高达10%的影响也微不足道。仅当漂移百分百为零时(一个不太可能的情况),信号平衡才变得重要。


数据传输速率


数字信号的射频频谱具有不同特性,从EMI的角度看,最重要的是该数据速率和其整数倍速率的频谱零值。图3,清楚地展示了这些频谱零值。


这些零值独立存在于任何信号滤波。通过改变数据速率,而非将频谱零值移到一个射频接收器频带附近以除去进入接收器的EMI,是种切实可行的选择。对必须识取多个卫星发回的极其微弱信号的GPS接收器来说,这尤为重要。图3显示了这种用于帮助保护GPS接收器的技术,数据速率从1.248Gbps(图3a)变为1.456Gbps(图3b)。


(a)



(b)


图3:改变接口数据速率会移动频谱零值。这是无需任何滤波、能降低特定频带EMI的一种特别有效的方法。


压摆率


接口携带的所有必要信息位于主谱瓣。频谱旁瓣携带数据波形变换信息,而非数据本身。对因旁瓣(这些旁瓣频率高于数据速率)能量产生的EMI来说,可以通过减少每个波形变换的压摆率来抑制。这么做之所以有效,是因为意外的射频信号的总带宽不由数据速率掌控,而是由数据波形的最快变换(边沿)决定的。


图4a(顶部)说明了这种技术确实影响到接口信号的“眼图”。虽然完全睁开的眼的宽度变窄了,但眼顶部和底部间的分离没受影响。这是使用该过滤技术必付的代价。


请注意:摆率控制仅降低了旁瓣幅值。对主瓣的任何影响都可以忽略不计。这有利有弊:好处是,这意味着,摆率控制并不会稀释数据内容。坏处是:仅当干扰频率来从主瓣时,会使该技术无效。基于此原因,如采用M-PHY的MIPI Alliance DigRFSM等应用,人们倾向使用每个都工作于较低数据速率的多条信道,而非一条工作于较高数据速率的信道。


(a)



(b)


图4:压摆率控制对差分信号的频率较高旁瓣的影响:顶部)眼图的边缘变换时间定义;底部)与a图显示的变换相应的频谱。


波形整形


实施压摆率控制的直接方法是调整电流源充放电电容。这就产生了如图3及下面图5a中所示的直线变换。其它波形形状也确会影响EMI值,结果有好有坏。例如,图5b展示了由简单RC滤波所得到的指数波形的效果。这里,EMI其实变得更严重。原因是,在任何变换开始时,指数波形都形成一个尖角,即使任何变换的结尾是光滑的。但在变换终点,侵损已经发生。


图5c展示了当所有的尖角被从接口波形中除去,频谱钳限性能大大改善了。除去尖角是波形整形的首要目标,所以,有时也将其称为波形曲率限制。


(a)


(b)



(c)


图5:具有不同波形形状的信号变换的EMI信号的频谱变化:a)线性变换,b)指数变换,和c)滤波后的波形。指数变换实际上抑制EMI的能力最差。


技术组合拳


所有的EMI管理技术始于最大化物理隔离。除隔离外,取决于接口标准化委员会遇到的具体问题,会采用不同的技术。下面介绍来自于公布的MIPI标准的两个例子。


MIPI联盟的M-PHY规范是个使用低幅值差分信号的HSS链接。由于数据传输速率高于许多蜂窝和其它无线通信频率,所以组合使用了数据速率选择、压摆率控制以及漂移边界等方法以降低出现在内部(包括可能的单片)射频接收器输入端的EMI。图6是体现这种改善的一个例子。


图6:MIPI联盟的M-PHY接口组合了漂移边界与压摆率控制技术,以尽力降低高频EMI。将该结果与图4b中的频谱进行比较。


MIPI联盟的射频前端(RFFE)接口有不同的问题,且采用不同的技术管理EMI。RFFE应用需要大幅值的单端信号,即便该接口工作时紧邻敏感的射频输入。这里采用的技术组合首先采用与应用需求一致的最低数据传输速率。然后,我们对接口波形实施曲率控制,以确保任何EMI都被限定于低于本地射频的工作频率。图7是演示其作用效果的一个例子。


(a)



(b)


图7:MIPI联盟的RFFE接口组合了数据速率选择和波形整形技术,以将不需要的射频信号频带控制在主要无线通信频带以下:(顶部)26MHz数据速率已经使得大部分信号能量位于低频,而(底部)在每一个转换的开始和结束都另实施了少量的曲率控制,显著改善了EMI抑制性能。


总结


设计的EMI管理是实现移动设备内接口和接收器相互透明度的一个关键组成部分。定义这些接口的规范委员会,如MIPI联盟,最好地掌控着这种能力。


由在强调相互透明度的M-PHY和RFFE接口规范的制定中所获经验表明,对降低EMI来说,有的技术很有效、有的不那么有效。目前为止,最有效的技术是良好的物理隔离。其次是限定差分信号允许的漂移,以及避免采用可导致指数接口波形的RC滤波。对减小EMI来说,使用波形整形技术以减少接口波形上的尖角是特别有效的方法。


选择数据速率是不需要滤波的一种技术。由于来自数字波形的EMI在此数据速率和其所有的整数倍速率都有频谱零值,将这些零值放置在所关注频带的附近也十分有效。最后但当然不是不重要的,是降低接口波形的幅值。这种技术对EMI的影响微不足道。


本文来自电子工程专辑,作者Earl McCune,Peter Lefkin

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