高速PCB設計指南(4):DSP係統的降噪技術
發布時間:2015-03-20 責任編輯:sherryyu
【導讀】隨著高速DSP(數字信號處理器)和外設的出現,新產品設計人員麵臨著電磁幹擾(EMI)日益嚴重的威脅。電磁兼容性(EMC)包含係統的發射和敏感度兩方麵的問題。假若幹擾不能完全消除,但也要使幹擾減少到最小。本文繼續講解PCB設計指南之DSP係統的降噪技術。
隨著高速DSP(數字信號處理器)和外設的出現,新產品設計人員麵臨著電磁幹擾(EMI)日益嚴重的威脅。早期,把發射和幹擾問題稱之為EMI或RFI(射頻幹擾)。現在用更確定的詞“幹擾兼容性”替代。電磁兼容性(EMC)包含係統的發射和敏感度兩方麵的問題。假若幹擾不能完全消除,但也要使幹擾減少到最小。如果一個DSP係統符合下麵三個條件,則該係統是電磁兼容的。
1. 對係統本身不產生幹擾。
2. 對其它係統不產生幹擾。
3. 對其它係統的發射不敏感。
幹擾定義
當幹擾的能量使接收器處在不希望的狀態時引起幹擾。幹擾的產生不是直接的(通過導體、公共阻抗耦合等)就是間接的(通過串擾或輻射耦合)。電磁幹擾的產生是通過導體和通過輻射。很多電磁發射源,如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起幹擾。AC電源線、互連電纜、jinshudianlanhezixitongdeneibudianluyedoukenengchanshengfushehuojieshoudaobuxiwangdexinhao。zaigaosushuzidianluzhong,shizhongdianlutongchangshikuandaizaoshengdezuidachanshengyuan。zaikuaisuDSP中,這些電路可產生高達300MHz的諧波失真,在係統中應該把它們去掉。在數字電路中,最容易受影響的是複位線、中斷線和控製線。

傳導性EMI
yizhongzuimingxianerwangwangbeihulvedenengyinqidianluzhongzaoshengdelujingshijingguodaoti。yitiaochuanguozaoshenghuanjingdedaoxiankejianshizaoshengbingbazaoshengsongdaolingwaidianluyinqiganrao。shejirenyuanbixubimiandaoxianjianshizaoshenghezaizaoshengchanshengyinqiganraoqian,yongquoubanfachuquzaosheng。zuiputongdelizishizaoshengtongguodianyuanxianjinrudianlu。ruodianyuanbenshenhuolianjiedaodianyuandeqitadianlushiganraoyuan,zezaidianyuanxianjinrudianluzhiqianbixuduiqiquou。
輻射耦合
經輻射的耦合通稱串擾,串擾發生在電流流經導體時產生電磁場,而電磁場在鄰近的導體中感應瞬態電流。
共阻抗耦合
當(dang)來(lai)自(zi)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)阻(zu)抗(kang)時(shi)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)共(gong)阻(zu)抗(kang)耦(ou)合(he)。阻(zu)抗(kang)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)由(you)兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)決(jue)定(ding)。來(lai)自(zi)兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)的(de)地(di)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)共(gong)地(di)阻(zu)抗(kang)。電(dian)路(lu)1的地電位被地電流2調製。噪聲信號或DC補償經共地阻抗從電路2耦合到電路1。
輻射發射
輻射發射有兩種基本類型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的,它使電路中所有地連接抬高到係統地電位之上。就電場大小而言,CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問題。為使CM輻射最小,必須用切合實際的設計使共模電流降到零。
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影響EMC的因數
電壓——電源電壓越高,意味著電壓振幅越大而發射就更多,而低電源電壓影響敏感度。
頻率——高頻產生更多的發射,周期性信號產生更多的發射。在高頻數字係統中,當器件開關時產生電流尖峰信號;在模擬係統中,當負載電流變化時產生電流尖峰信號。
接地——對於電路設計沒有比可靠和完美的電源係統更重要的事情。在所有EMC問題中,主要問題是不適當的接地引起的。有三種信號接地方法:單點、多點和混合。在頻率低於1MHz時(shi)可(ke)采(cai)用(yong)單(dan)點(dian)接(jie)地(di)方(fang)法(fa),但(dan)不(bu)適(shi)於(yu)高(gao)頻(pin)。在(zai)高(gao)頻(pin)應(ying)用(yong)中(zhong),最(zui)好(hao)采(cai)用(yong)多(duo)點(dian)接(jie)地(di)。混(hun)合(he)接(jie)地(di)是(shi)低(di)頻(pin)用(yong)單(dan)點(dian)接(jie)地(di)而(er)高(gao)頻(pin)用(yong)多(duo)點(dian)接(jie)地(di)的(de)方(fang)法(fa)。地(di)線(xian)布(bu)局(ju)是(shi)關(guan)鍵(jian)的(de)。高(gao)頻(pin)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)和(he)低(di)電(dian)平(ping)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)的(de)地(di)回(hui)路(lu)絕(jue)對(dui)不(bu)能(neng)混(hun)合(he)。
電源去耦——當器件開關時,在電源線上會產生瞬態電流,必須衰減和濾掉這些瞬態電流來自高di/dt源的瞬態電流導致地和線跡“發射”電壓。高di/dt產生大範圍高頻電流,激勵部件和纜線輻射。流經導線的電流變化和電感會導致壓降,減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降最小。
PCB設計——適當的印刷電路板(PCB)布線對防止EMI是至關重要的。
降低噪聲的技術
防止幹擾有三種方法:
1. 抑製源發射。
2. 使耦合通路盡可能地無效。
3. 使接收器對發射的敏感度盡量小。
下麵介紹板級降噪技術。板級降噪技術包括板結構、線路安排和濾波。
板結構降噪技術包括:
* 采用地和電源平板
* 平板麵積要大,以便為電源去耦提供低阻抗
* 使表麵導體最少
* 分開數字、模擬、接收器、發送器地/電源線
* 采用窄線條(4到8密耳)以增加高頻阻尼和降低電容耦合
* 根據頻率和類型分隔PCB上的電路
* 不要切痕PCB,切痕附近的線跡可能導致不希望的環路
* 采用多層板密封電源和地板層之間的線跡
* 避免大的開環板層結構
* 采用多點接地使高頻地阻抗低
* 保持地引腳短於波長的1/20,以防止輻射和保證低阻抗線路安排降噪技術包括用45。而不是90。線跡轉向,90。轉向會增加電容並導致傳輸線特性阻抗變化
* 保持相鄰激勵線跡之間的間距大於線跡的寬度以使串擾最小
* 時鍾信號環路麵積應盡量小
* 高速線路和時鍾信號線要短和直接連接
* 敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關轉換信號的線跡並行
* 不要有浮空數字輸入,以防止不必要的開關轉換和噪聲產生
* 避免在晶振和其它固有噪聲電路下麵有供電線跡
* 相應的電源、地、信號和回路線跡要平行以消除噪聲
* 保持時鍾線、總線和片使能與輸入/輸出線和連接器分隔
* 路線時鍾信號正交I/O信號
* 為使串擾最小,線跡用直角交叉和散置地線
* PCB聯接器接機殼地,這為防止電路邊界處的輻射提供屏蔽
* 保護關鍵線跡(用4密耳到8密耳線跡以使電感最小,路線緊靠地板層,板層之間夾層結構,保護夾層的每一邊都有地)
濾波技術包括:
* 對電源線和所有進入PCB的信號進行濾波
* 在IC的每一個點原引腳用高頻低電感陶瓷電容(14MHz用0.1UF,超過15MHz用0.01UF)進行去耦
* 在器件引線處對電源/地去耦
* 用多級濾波來衰減多頻段電源噪聲
* 旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳
* 旁路快速開關器件
其它降噪設計技術有:
* 把晶振安裝嵌入到板上並接地;
* 用串聯終端使諧振和傳輸反射最小,負載和線之間的阻抗失配會導致信號部分反射,反射包括瞬時擾動和過衝,這會產生很大的EMI;
* 安排鄰近地線緊靠信號線以便更有效地阻止出現電場;
* 把去耦線驅動器和接收器適當地放置在緊靠實際的I/O接口處,這可降低到PCB其它電路的耦合,並使輻射和敏感度降低;
* 對有幹擾的引線進行屏蔽和絞在一起以消除PCB上的相互耦合;
* 在感性負載上用箝位二極管;
* 在適當的地方加屏蔽。
EMC是DSP係統設計所要考慮的重要問題,應采用適當的降噪技術使DSP係統符合EMC要求。
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