DSP应用系统电磁兼容的设计

1　引言

随着DSP芯片的迅猛发展,其运算速度和处理能力不断提高,使得DSP系统的成本、体积、重量及功耗都有很大程度的下降。但与此同时,周围环境的电磁干扰源越来越多,使得DSP系统和产品设计人员也面临着更加严峻的挑战,即如何抑制日益严重的电磁干扰(EM I) ,提高系统性能,使各种电气及电子设备达到电磁兼容(EMC) 。

2　电磁兼容设计

2. 1　电磁兼容

电磁兼容(EMC)是指在有限的时间、空间和频谱资源等条件下,各种用电设备可以共存并不至于引起性能降级的一门学科。而电磁兼容性通常是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作,并且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

电磁干扰( EM I)是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。形成电磁干扰必须具备三个要素, 即: 电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备。三者关系如图1所示。

　图1　EMI的三要素

任何形式的自然现象或装置所发射的电磁能量,使生物受到损伤或使其他设备、系统发生电磁危害,从而导致性能下降或故障,这种自然现象或装置就称为电磁骚扰源。如光照、天电噪声、电子噪声、发电机等都属于电磁骚扰源。

耦合途径是指传输电磁骚扰的媒介或途径。

敏感设备是指当受到电磁干扰时,会受到伤害的生物及会发生电磁危害,导致性能下降或发生故障的器件、设备或系统。许多器件、设备或系统既是敏感设备又是产生干扰的电磁骚扰源。

2. 2　电磁兼容设计的目的

电磁兼容性设计的目的:是使电子设备或电子系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。即要求在同一电磁环境中的设备或系统都能正常工作又互不干扰,达到“兼容”的状态。满足电磁兼容( EMC)有以下两方面的规定:

(1)能在预期的电磁环境中正常工作,无性能降低或故障;(2)对该电磁环境来说不是一个干扰源。如果一个DSP系统符合以下条件,则该系统是电磁兼容的。

·对电磁骚扰不敏感。

·对系统自身不产生干扰。

·对其他系统不产生干扰。

为了实现电磁兼容,必须从形成电磁干扰的基本要素出发,从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备入手,采取有效的技术措施,抑制骚扰源、减弱或消除骚扰的耦合途径、降低敏感设备对骚扰的响应。

2. 3　电磁兼容设计的基本内容

电磁兼容设计可分为系统间和系统内两方面加以考虑。系统间的电磁兼容设计目前已经研究的较多,本文将主要针对系统内的电磁兼容设计加以讨论。

通常系统内电磁兼容设计可分为五部分:有源器件的选择和印制电路板( PCB )的设计、布线、滤波、接地及屏蔽等。如图2所示。

图2　系统内EMC设计

2. 4　电磁干扰的传输途径

电磁骚扰源与敏感设备的耦合途径有:传导、感应、辐射或三者的组合。

传导耦合是电磁骚扰源和敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合的方式很多,可以通过电源线、信号线、接地导体等进行耦合。防止传导耦合的方法是避免导线感应噪声,采取适当的屏蔽或将导线分离,或在干扰进入敏感电路之前,用滤波的方法将其滤除。

感应耦合是电子元件(例如继电器、变压器、电感器等)及导线之间的主要耦合方式。可分为电感应耦合和磁感应耦合两类。对这两类耦合可以采用加屏蔽、隔离或改变骚扰源和敏感设备的相对位置的方法加以抑制。

辐射是骚扰传输的另一种方式,包括天线、电缆、机壳之间产生的干扰。

通常,一个设备或系统中存在诸多的耦合途径,一般采取抑制骚扰源、减小骚扰源和敏感设备之间的耦合、降低敏感设备对骚扰源的灵敏度来设计系统,达到电磁兼容的要求。

3　系统内EMC设计中采取的措施

3. 1　有源器件的选择和PCB的设计

在数字电路特别是高速数字电路设计中,有源器件的正确选择和印刷电路板( PCB)设计对防止电磁干扰( EM I)是至关重要的环节。

在器件的选择过程中必须注意有源器件的固有电磁敏感度特性和电磁骚扰发射特性。*价敏感器件的重要参数有灵敏度和带宽,灵敏度越高,带宽越大,抗扰度越差。电子器件的电磁骚扰发射也是应该注意的,应尽量避免或降低对其他器件或系统产生的干扰。

在PCB板设计中,应充分考虑板的结构、器件的布局、线路安排及滤波等技术。以下是一些值得参考的技巧:

·电路中的电流环路应保持最小

·使用较大的地线平面以减小地线阻抗

·信号线和回线应尽可能接近

·电源线和地线应相互接近

·在多层板设计中,电源面和地平面应当分开

·采用合适的布线宽度以增加高频阻抗和降低电容耦合

·数字地、模拟地等应相互分离

·采用多点接地降低高频地阻抗

·增大相邻激励线迹的间距减小串扰

·尽量减小时钟信号环路面积

·高频线路和时钟线要