完美應對!關於視音頻接口的EMI/EMC
發布時間:2014-12-15 責任編輯:echolady
【導讀】產品種類及測試機構的不同,同時導致了電磁幹擾和電磁兼容的測試要求也不盡相同。EMI/EMC測試分為兩種:輻射和敏感度。而EMI也分為傳導幹擾和輻射幹擾兩種。本文就著重討論音頻/視頻接口的輻射幹擾問題。
一般來說,由於產品的種類和測試機構不同,針對電磁幹擾及電磁兼容的測試要求也不同。但還是可以將EMI/EMC測試大致分為兩類:第一種為輻射:該測試限定了某產品輻射或傳導的信號幅度和頻率,從而使其不會對其它產品產生幹擾。第二種為敏感度(也稱為抗擾度):該測試通過限定會幹擾設備正常工作的輻射和傳導信號的幅度和頻率,說明產品的輻射抑製能力。如上所述,EMI可分為傳導幹擾和輻射幹擾兩種。由於所有的EMI輻(fu)射(she)都(dou)是(shi)由(you)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de),因(yin)此(ci)這(zhe)兩(liang)種(zhong)幹(gan)擾(rao)彼(bi)此(ci)相(xiang)關(guan)。但(dan)並(bing)不(bu)是(shi)所(suo)有(you)的(de)電(dian)流(liu)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)輻(fu)射(she)。因(yin)此(ci),首(shou)先(xian)要(yao)分(fen)析(xi)和(he)抑(yi)製(zhi)輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)問(wen)題(ti),然(ran)後(hou)再(zai)處(chu)理(li)傳(chuan)導(dao)幹(gan)擾(rao)問(wen)題(ti)。對(dui)於(yu)這(zhe)兩(liang)種(zhong)幹(gan)擾(rao)來(lai)說(shuo),輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)更(geng)難(nan)預(yu)測(ce)和(he)抑(yi)製(zhi)。因(yin)此(ci)它(ta)是(shi)造(zao)成(cheng)大(da)多(duo)數(shu)非(fei)主(zhu)動(dong)輻(fu)射(she)產(chan)品(pin)EMI測試失敗的主要原因。在此,我們將著重討論如何解決眾多產品中普遍存在的音頻/視頻接口的輻射幹擾問題。
在實際安規設計中,我們可以考慮采用多種方法來滿足EMI/EMC規則中所限定的條件。但這些方法大都可以歸入屏蔽和濾波兩大類。在實際產品中,這些方法都要與特定的應用相結合,實現全麵的EMI解決方案。例如,在大多數產品中,都會用一個金屬殼體來屏蔽輻射,同時利用L-C或R-C濾波器來降低輸入/輸出線的傳導幹擾。此外,還可以使用一個抖動時鍾來擴展頻譜範圍,以降低特定應用的濾波或屏蔽要求。當產品的EMI性能基本達到要求時,都會被拿到認證實驗室進行正規測試。如果產品通過了測試,就可以投放市場;而(er)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)存(cun)在(zai)問(wen)題(ti)。解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)時(shi),即(ji)使(shi)一(yi)個(ge)小(xiao)小(xiao)的(de)改(gai)動(dong)也(ye)要(yao)花(hua)費(fei)很(hen)長(chang)時(shi)間(jian)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)能(neng)耽(dan)誤(wu)產(chan)品(pin)的(de)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian),因(yin)為(wei)國(guo)際(ji)和(he)國(guo)內(nei)市(shi)場(chang)都(dou)要(yao)求(qiu)產(chan)品(pin)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)EMI/EMC兼容性測試。這樣一來,EMI設計常常要犧牲產品的視頻性能,以確保其通過測試。在現代設計中,需要考慮通過EMI測試所需要的元器件的物理尺寸和成本,因此更會以犧牲視頻性能作為代價。現代音頻/視頻模擬接口的尺寸不斷減小,而性能期望值卻很高,這對設計提出了非常嚴峻的挑戰。要解決這一問題,首先要找出大多數EMI/EMC測試失敗的源頭,然後再探究可行的解決方案。
首先我們來說說測試失敗的源頭,大多數時候EMI/EMC測試失敗通常發生在產品設計中最薄弱的環節—信號(和幹擾)從這個環節進入或離開經過屏蔽和濾波的機構。在音頻/視頻接口中,最薄弱的地方就是連接設備的電纜,它們相當於天線。對於電腦來說,將顯示器和揚聲器連接至PC的電纜是最薄弱的環節,它常常會引起EMI/EMC問題。我們可能會認為隻有高帶寬的視頻接口才會產生這種問題,而低頻音頻接口不會有這種問題。所有放大器都采用A類音頻放大器時確實是這樣。然而,目前所采用的高效D類放大器都具有高頻開關信號,如果不進行適當的濾波和屏蔽,也會存在EMI問題。過去,可以采用大型外部濾波器和/huopingbidianlanlaijiejuezhexiewenti。danshizhexiefangfabujinzengjialechengben,erqiehaiyingxianglechanpinxingnenghezengdalechanpinchicun。suizhezhexiechanpindechicunbuduansuoxiao,yanbianweidangqiandeyinpin/視頻播放器,EMI/EMC解決方案必須在保持甚至改善係統性能的同時減小產品尺寸。為實現這一目的,開發出了諸如MAX9511圖形視頻接口和MAX9705 D類音頻放大器等小型器件,這些器件能夠提供優異的EMI性能。為了展示這種改進是如何實現的,可以考察一台普通PC的音頻和顯示器接口,以及這些纖巧的器件所提供的EMI性能。首先,我們應該了解音頻/視頻接口設計中必須解決的各種EMI問題,然後給出解決這些問題的方法。
我們現在日常生活中的計算機中普遍采用的視頻格式和電視的視頻形式是不一樣的。計算機視頻具有紅、綠和藍色(R、G、B)模擬視頻信號,以及包括行、場同步和DDC組成的邏輯信號,所有這些信號都具有快速上升/下降時間。視頻連接器通常采用高密度超微D型連接器,用來連接顯示器和PC。雖然這個方案結合了視頻信號屏蔽(同軸)和共模扼流圈(CMC)等措施來降低輻射和傳導EMI,但還是需要增加濾波環節,才能夠確保滿足EMI要yao求qiu。在zai廣guang播bo視shi頻pin應ying用yong中zhong,采cai用yong類lei似si的de濾lv波bo措cuo施shi來lai消xiao除chu電dian視shi圖tu像xiang中zhong的de混hun疊die瑕xia疵ci。然ran而er在zai圖tu形xing視shi頻pin中zhong卻que不bu能neng這zhe麼me做zuo,因yin為wei圖tu形xing視shi頻pin的de目mu的de是shi在zai盡jin可ke能neng高gao的de分fen辨bian率lv下xia重zhong現xian“開” “關”像素的棋盤狀圖案。因此,為實現最佳的顯示性能,我們希望帶寬越大越好。但在實際應用中,必須權衡考慮EMI和(he)視(shi)頻(pin)性(xing)能(neng),因(yin)此(ci)隻(zhi)好(hao)犧(xi)牲(sheng)視(shi)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)。例(li)如(ru),對(dui)視(shi)頻(pin)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)時(shi),會(hui)產(chan)生(sheng)時(shi)間(jian)延(yan)遲(chi),而(er)如(ru)果(guo)各(ge)視(shi)頻(pin)通(tong)道(dao)的(de)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)不(bu)能(neng)精(jing)密(mi)匹(pi)配(pei),就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)彩(cai)色(se)邊(bian)緣(yuan)效(xiao)應(ying)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang),必(bi)須(xu)精(jing)密(mi)控(kong)製(zhi)視(shi)頻(pin)通(tong)道(dao)的(de)群(qun)延(yan)遲(chi)和(he)群(qun)延(yan)遲(chi)匹(pi)配(pei)。RGB視頻極容易受到這些參數的影響。若要獲得最佳性能,群延遲必須與頻率保持一致,通道之間的最小群延遲匹配必須保持在±0.5個像素時間之內。如果匹配能如此精密,那麼同步信號也必須跟蹤通道延遲,從而正確地顯示圖像幀。做到了這一點後,還需要解決PC支持的多視頻分辨率問題。在此應用中,采用固定頻率濾波器實現最佳性能是非常困難的。
如果我們設計一款濾波器來抑製最低分辨率情況下的EMI,lvboqidezudaihuijierujiaogaofenbianlvgeshidexinhaodaikuannei,congeryingxiangjiaogaofenbianlvdeshipinxingneng。ruguozhenduizuigaofenbianlvgeshishejilvboqi,jiukenengmanzubuleEMI要求。顯然,最佳的解決方案就是采用一個頻率響應能夠跟蹤顯示分辨率的“可調”濾波器,但這種方法會增加成本,而且還可能增大產品尺寸。另外,同步和DDC驅動器的快速上升/下降時間對EMI性能的影響也很重要。因此,在任何一個完整的EMI方案中,都必須包括能延緩這些上升/下降時間的方法。還有一些曆史遺留問題,諸如為了滿足即插即用要求的視頻DAC負載檢測功能。而MAX95118可以實現所有這些功能。其采用L-C濾波器方案,以及無濾波原始輸出的EMI特性。
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這裏我們可以考慮使用完備的MAX9511來解決EMI的問題。MAX9511圖形視頻接口可以為RGB視頻提供了一個匹配的、三通道可調EMI濾波器,分辨率範圍涵蓋VGA至UXGA,通道間偏斜誤差小於0.5ns。通過改變單個電阻(Rx)的阻值來實現擺率調整功能。RGB視頻輸出為低阻抗(ZOUT 1Ω),加上75Ω的反向端接電阻後,可在遠程監視器和塢站之間提供45dB至50dB的隔離。以前,采用這種方法驅動兩路不同的輸出時,需要一個開關,以避免L-C濾波器輸出連接較長的未端接分支。音頻接口要在不產生EMIdeqingkuangxiahuodexiaolvhexingneng,yaojiejueyixiliebutongdewenti。zaibianxieshiyingyongzhong,womenxiangyaozuidaxianduyanchangdianchishouming,erbuqiwangxiaolvdixiadeshejichanshengreliang,yinciD類放大器得到了廣泛應用。問題是D類放大器使用PWM來實現高效率,這與開關電源很相似。使用非屏蔽揚聲器連線接至輸出端時,連線會像天線一樣輻射EMI。盡管時鍾頻率(典型值為300kHz至1MHz)gaoyuyinpinpinpu,dantashiyigejuyoudaliangxiebofenliangdefangbo。yonglailvchugaixiebofenliangdelvboqichicunbijiaoda,erqiechengbenyougao。zaixishangxingdiannaodengbianxieyingyongzhong,youyuchicunyuanyin,zhebushiyigekexingdejiejuefangan。
在電路設計中,一般的設計拓撲可能無法同時解決這兩個問題。為使輸出音頻功率達到最大,便攜式應用采用橋接負載(BTL)的連接方式,此時揚聲器的兩根連線都得到有效驅動。在Dleifangdaqizhong,liyongbijiaoqijianshimonishurudianya,jiangshurudianyayuyigesanjiaobojinxingbijiao。dangsanjiaobodefudugaoyuyinpinshurudianyashi,bijiaoqifanzhuan,tongshifanxiangqichanshenghubudePWM波型來驅動BTL輸出級的另一側。由於采用了這種BTL拓撲,輸出濾波器實際上需要兩倍於單端音頻輸出的元件數量:兩個電感(L1和L2)和兩個電容(C1和C2)。這兩個電感需要處理峰值輸出電流,因此尺寸都比較大,並占據了大部分空間。Dleifangdaqikeliyongyangshengqidexianquandianganhefenlidianronggouchenglvboqi,congershengdiaoewaidelvboqi。youyuyangshengqilianxianrenghuifushexiangdangshuliangdenengliang,zhezhongfangshijinxianyuneibuyangshengqi。youyizhongzuofajiushigaibiankaiguanguocheng,shidefangdaqibaochigaoxiaodetongshiyounengjianshaoEMI,從cong而er隻zhi需xu要yao一yi個ge小xiao型xing濾lv波bo器qi。要yao實shi現xian這zhe一yi目mu的de,可ke以yi調tiao製zhi時shi鍾zhong頻pin率lv,以yi降jiang低di基ji於yu每mei赫he茲zi帶dai寬kuan的de能neng量liang。這zhe種zhong方fang法fa稱cheng為wei時shi鍾zhong擴kuo譜pu調tiao製zhi,或huo時shi鍾zhong頻pin率lv抖dou動dong。然ran而er,頻pin譜pu擴kuo展zhan的de有you效xiao性xing是shi有you一yi定ding範fan圍wei的de。
duiyuzhitigongkuoputiaozhigongnengdeqijian,dangshuchugonglvgaoyushubaihaowashi,chaoguojiyingcunchangdeyangshengqilianxianjiuhuifushetaiduodenengliang。cishizengjiashizhongpinlvyeyushiwubu,suizhepinlvdeshenggao,D類放大器的輸出頻譜會降低。然而,揚聲器的連線會變得像天線一樣高效,從而抵消了任何性能上的改善。為進一步改善EMI性能,就要求改變D類放大器自身所采用的PWM波形。可采用一種稱為有源輻射限製的特定方法來實現這一點。有源輻射限製電路設置放大器的最小脈寬,再結合交叉切換、上升/下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)以(yi)及(ji)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)的(de)控(kong)製(zhi),則(ze)可(ke)以(yi)將(jiang)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)功(gong)率(lv)譜(pu)限(xian)製(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)給(gei)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)電(dian)平(ping)下(xia)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)目(mu)的(de)就(jiu)是(shi)將(jiang)頻(pin)譜(pu)降(jiang)低(di)到(dao)某(mou)一(yi)水(shui)平(ping),使(shi)得(de)設(she)備(bei)在(zai)無(wu)任(ren)何(he)外(wai)部(bu)濾(lv)波(bo)以(yi)及(ji)接(jie)有(you)長(chang)達(da)24in外部揚聲器連線的情況下,其EMI特性仍能滿足輻射限製要求。
這裏我們還希望整體電路在設計後能夠獲得良好的音頻性能,為此需要大於2Wdefengzhigonglvshuchu。yucitongshi,haixiwangfarezuixiaohezuidaxianduyanchangdianchishouming。yinci,xuyaoshebeizaidiyadandianyuanxiashixiangaoxiaolv,tongshijuyoushiheerjiyingyongdedigonghaoguanduanmoshi。THD+N必須很低,SNR必須很高,要具有哢嗒聲抑製功能,輸入必須能與單端或差分輸入相兼容。可以說MAX9511和MAX9705代表了EMI/EMC控製的先進技術。將這些器件應用於產品當中可以有效降低EMI。不(bu)必(bi)像(xiang)以(yi)前(qian)那(na)樣(yang)依(yi)靠(kao)大(da)尺(chi)寸(cun)外(wai)部(bu)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)屏(ping)蔽(bi)等(deng)會(hui)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)和(he)尺(chi)寸(cun)的(de)方(fang)法(fa),這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)采(cai)用(yong)了(le)當(dang)今(jin)最(zui)先(xian)進(jin)的(de)技(ji)術(shu),有(you)效(xiao)保(bao)證(zheng)了(le)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)。
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