可携式产品 电磁干扰滤波解决方案

电子产品越来越轻薄短小，电子零件的集积度也就越来越高，而电源、接地噪声(Noise)与讯号(Signal)及其彼此间的耦合(Coupling)现象，也变成了电子产品在设计时，主要而必须克服的关键因素。而这些无论是来自于系统外部，或是来自于系统本身的噪声或讯号，对讯号间的辐射(Radiation)或传导(Conduction)干扰问题，若在30MHz到1GHz的频率范围，就是所谓的电磁干扰(EMI,ElectromagneticInterference)问题；当影响到了更高频的无线传播频率区段(RF,RadioFrequency)时，则又称为无线频段干扰(RFI,RadioFrequencyInterference)的问题。而在可携式产品中，RFI的问题更严重影响到了产品的通讯质量。

要解决这些烦人的电磁干扰问题，首先从大的方向来分类，可分为讯号完整性(SI,SignalIntegrity)的问题，以及电源完整性(PI,PowerIntegrity)的问题。在实务的量测解析上，会使用到近场(NearField)量测的除错模式(DebugMode)，及远场(FarField)量测的验证模式。如果对于产品的组件特性及边界条件掌握度够高，也可以用仿真软件(如ANSYS、Keysight、CST...等公司所提供的电磁模拟工具)来做模拟验证与预测。若要对产品中各组件在各种运作下的特性进一步了解，还会使用时频(Time-Frequency)的数值分析方法(如FFT,HHT,enhance-MorletTransfer...等)。在产品的设计实务上，要解决这些问题的手法，不外乎必需使用到滤波(Filter)、移频(MovingResonantFrequency)、展频(SSC,SpreadSpectrumClock)...等手法。展频的手法，在现今的科技多已做入了集成电路(IC,IntegratedCircuit)中，大多与频率相关的集成电路都会有展频的设计，主要用在解决讯号在线的主频能量太强之问题。移频则是一种较笼统的解决方案之说法，主要目的是把有问题的频率极点位置，移开出目前所在意的频段范围。但是如何找到问题率频点，大多只能仰赖仿真工具来找出频率响应(Resonant)点，才能再想对策(如加滤波组件或改变线宽、线长或方向)来重新布局。但是，由前面所提及的解析注意要项中可知，如果对组件特性及边界条件不够完整的情形下，非常容易变成了GIGO(GarbageInGarbageOut)的结果。而使用滤波器则是最为直观且直接的解决手法，当然其中也蕴含有移频的意味存在，然而各种滤波器却有各自的使用方法及限制。

在解决EMI/RFI问题时，最常使用到的滤波器如图一所示，都是属于低通滤波装置。其中π型滤波器(π-ModelFilter)是最有效率而简单的滤波装置，一般常用的整合性产品又分为CLC及CRC两种类型，如图二所示。CLC滤波装置可以选择对主频率衰减影响最小为考虑，其最主要是用在当系统内部的讯号在做传递时，当只需要对其高频的倍频谐波(Homonic)做滤波处理时，能使主频能量尽量保持原大小，而将高频讯号滤除。而CRC类型的滤波器，则主要会使用在系统的接口端，可以具有能选择较佳阻抗匹配(ImpedanceMatch)的特性，有效降低因为阻抗不匹配所造成的二次干扰问题。无论那种滤波装置，要考虑滤掉的频率能量是多或是少，还必需考虑讯号的倾斜(Skew)及抖动(Jitter)问题来做决定，因此不一定是把所有的高频讯号滤掉越多才会越好，有许多时候适当的保留3倍频及5倍频甚至7倍频讯号能量，会使得眼图(EyeDiagram)更佳。然而，在差动讯号(DifferentialSignal)的处理上，正端与负端的讯号必需相位差180度的完整讯号才能得到最佳的眼图。而来自电源及地端的偶数倍频谐波或是共模噪声(Common-ModeNoise)都会造成差动讯号的失真，参考图三中左侧的讯号。要解决这个问题，主要就是使用共模型式的滤波抑制器(Common-ModeChoke)，利用小讯号在电感讯号抑制器中，共模讯号会被抵消的方式，来过滤掉共模噪声，如图三说明所示。然而使用图三中的共模滤波(Common-ModeFilter)装置，由于差模讯号上相当于也会看到了L型(L-Model)滤波效应，因此使用这种滤波器件必需同时看差模与共模的滤波频段，两者的滤波效果是不同的。到此可以发现，以上两类型的滤波装置都是用来解决讯号上的噪声问题。而且，有许多机会是用在产品的接口端，那么静电放电的问题在此也不容被忽视。因此，晶焱科技整合了其系统级的静电防护技术与这些讯号滤波产品做了一个完美的结合，如图二及图三中含有TVS(TransientVoltageSuppressor)的滤波装置，就是用来同时有效解决静电及滤波的问题的产品。另外，在使用这些滤波器件时，所需注意的不再是电容的大小，而必须在意讯号的传输损耗(InsertionLoss)以及反射损耗(ReturnLoss)，在S参数中的这些信息才代表有多少能