高速數(shù)字接口中EMI如何消除，七種方法分享給你

小尺寸低成本高速串行(HSS)接口對(duì)于體積小、功耗低、重量輕的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其有價(jià)值。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備必須與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，會(huì)發(fā)生電磁干擾(EMI)，因?yàn)楝F(xiàn)代HSS通常比移動(dòng)設(shè)備使用的無(wú)線通信頻率更高。

電磁兼容科學(xué)告訴我們(根據(jù)麥克斯韋方程):當(dāng)電子移動(dòng)時(shí)，射頻信號(hào)肯定會(huì)產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)中，可以使用七種主要技術(shù)進(jìn)行管理EMI，它們是:隔離、信號(hào)幅值、偏移范圍、數(shù)據(jù)速率、信號(hào)平衡、擺動(dòng)速率控制和波形整形。這些技術(shù)有不同的功能，我們會(huì)逐一討論。

隔離

物理隔離可能是最明顯的技術(shù)。對(duì)于射頻信號(hào)，如果可以的話“屏蔽”那么它就不會(huì)干擾任何其他信號(hào)。雖然隔離永遠(yuǎn)不會(huì)完美，而且在蜂窩或無(wú)線局域網(wǎng)頻率下，實(shí)際隔離分貝值為20~40dB之間。達(dá)到這個(gè)水平的隔離解決方案EMI問(wèn)題通常是必要的。所以，仔細(xì)測(cè)量IC封裝和PCB可供布局的隔離非常重要。

圖1.用于當(dāng)代表帖射頻封裝的一個(gè)隔離罩

信號(hào)幅度

降低接口信號(hào)的幅值肯定會(huì)降低EMI，但是效果不大。若信號(hào)幅值減半，EMI僅降低6dB。這可能足以擺脫閉鎖問(wèn)題(closeproblem)，然而，這種方法也降低了接收器的裕度，并可能導(dǎo)致接口錯(cuò)誤。基于此，最好以此作為回應(yīng)EMI問(wèn)題的最后手段。

漂移和平衡

漂移是差分信號(hào)的兩個(gè)組成部分之間的時(shí)間偏移。平衡是兩個(gè)組成部分之間部分之間的振幅匹配。這兩個(gè)參數(shù)基本上由接口驅(qū)動(dòng)電路決定，最好一起分析。如圖2所示，當(dāng)信號(hào)平衡在10%以內(nèi)時(shí)，它是由漂移引起的EMI影響比和信號(hào)平衡的確切值并不那么重要。這意味著，從EMI從這個(gè)角度來(lái)看，在設(shè)計(jì)接口驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，盡量減少漂移遠(yuǎn)比致力幅值平衡事半功倍。

圖2:信號(hào)平衡和漂移的組比較

圖表顯示，管理漂移比獲得一個(gè)非常封閉的信號(hào)平衡要重要得多。甚至在2%UI信號(hào)平衡誤差高達(dá)10%的影響在漂移過(guò)程中也是微不足道的。信號(hào)平衡只有在漂移100%為零的情況下才變得重要（不太可能）。

數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)字信號(hào)的射頻譜具有不同的特征，從EMI從這個(gè)角度來(lái)看，最重要的是數(shù)據(jù)速率及其整數(shù)倍率的頻譜零。圖3，清楚地顯示了這些頻譜的零值。

這些零值在任何信號(hào)濾波器中都是獨(dú)立存在的。通過(guò)改變數(shù)據(jù)速率，而不是將頻譜零值移動(dòng)到射頻接收器的頻帶附近，以去除進(jìn)入接收器的值EMI，這是一個(gè)切實(shí)可行的選擇。對(duì)于必須識(shí)別多個(gè)衛(wèi)星發(fā)回的極弱信號(hào)的信號(hào)GPS對(duì)于接收器來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤為重要。圖3顯示了這種幫助保護(hù)GPS接收器技術(shù)，數(shù)據(jù)速率從1.248Gbps(圖3a)變?yōu)?.456Gbps(圖3b)。

（a）

（b）

圖3：改變接口數(shù)據(jù)速率會(huì)移動(dòng)頻譜零值。這是無(wú)需任何濾波、能降低特定頻帶EMI的一種特別有效的方法。

壓擺率

接口攜帶的所有必要信息都位于主光譜瓣膜上。頻譜旁瓣攜帶的是數(shù)據(jù)波形變換信息，而不是數(shù)據(jù)本身。能量產(chǎn)生的側(cè)瓣（這些側(cè)瓣頻率高于數(shù)據(jù)速率）EMI總之，它可以通過(guò)降低每個(gè)波形轉(zhuǎn)換的擺動(dòng)速率來(lái)抑制。這是有效的，因?yàn)橐馔馍漕l信號(hào)的總帶寬不是由數(shù)據(jù)速率控制的，而是由數(shù)據(jù)波形的最快轉(zhuǎn)換（邊緣）決定的。

圖4a(頂部)表明該技術(shù)確實(shí)影響接口信號(hào)“眼圖”。盡管完全睜開(kāi)的眼睛寬度變窄，但眼睛頂部和底部之間的分離并沒(méi)有受到影響。這是使用這種過(guò)濾技術(shù)必須付出的代價(jià)。

請(qǐng)注意：擺動(dòng)速率控制只會(huì)降低側(cè)瓣的振幅。對(duì)主瓣的任何影響都可以忽略不計(jì)。這既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)：這意味著擺動(dòng)速率控制不會(huì)稀釋數(shù)據(jù)內(nèi)容。缺點(diǎn)是，當(dāng)干擾頻率來(lái)自主瓣時(shí)，技術(shù)將無(wú)效。基于這個(gè)原因，M-PHY的MIPIAllianceDigRFSM在其他應(yīng)用中，人們傾向于使用每個(gè)信道以較低的數(shù)據(jù)速率工作，而不是以較高的數(shù)據(jù)速率工作的信道。

（a）

（b）

圖4：壓擺率控制對(duì)差分信號(hào)頻率較高的側(cè)瓣影響：頂部)眼圖邊緣轉(zhuǎn)換時(shí)間定義；底部)和變換相應(yīng)的頻譜。

波形整形

控制壓力擺動(dòng)速率的直接方法是調(diào)整電流源的充放電電容。這就產(chǎn)生了圖3和下圖5a直線變換。其他波形確實(shí)會(huì)影響EMI值，結(jié)果有好有壞。例如，圖5b簡(jiǎn)單地展示RC通過(guò)濾波獲得的指數(shù)波形效應(yīng)。在這里，EMI事實(shí)上，情況變得更糟了。原因是，在任何轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，指數(shù)波形都形成一個(gè)尖角，即使任何轉(zhuǎn)換的末端都是光滑的。但是在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，侵權(quán)已經(jīng)發(fā)生。

圖5c結(jié)果表明，當(dāng)從接口波形中去除所有尖角時(shí)，光譜鉗的極限性能大大提高。去除尖角是波形塑料的主要目標(biāo)，因此有時(shí)被稱為波形曲率限制。

（a）

（b）

（c）

圖5：信號(hào)變換具有不同的波形形狀EMI信號(hào)的頻譜變化：a)線性變換，b)指數(shù)變換，和c)濾波后的波形。指數(shù)變換實(shí)際上抑制了它EMI能力最差。

技術(shù)組合拳

所有的EMI管理技術(shù)始于最大化物理隔離。除了隔離，不同的技術(shù)將根據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)遇到的具體問(wèn)題采用。以下介紹來(lái)自公告MIPI兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的例子。

MIPI聯(lián)盟的M-PHY規(guī)范是一個(gè)使用低幅值差分信號(hào)的規(guī)范HSS鏈接。由于數(shù)據(jù)傳輸速率高于許多蜂窩和其他無(wú)線通信頻率，因此組合使用數(shù)據(jù)速率選擇、擺動(dòng)速率控制和漂移邊界來(lái)減少內(nèi)部（包括可能的單片）射頻接收器輸入端的出現(xiàn)EMI。圖6是這種改善的一個(gè)例子。

圖6：MIPI聯(lián)盟的M-PHY該接口結(jié)合了漂移邊界和擺動(dòng)速率控制技術(shù)，降低高頻率EMI。圖4結(jié)果b比較中的頻譜。

MIPI射頻前端聯(lián)盟(RFFE)不同的不同的問(wèn)題，技術(shù)管理也不同EMI。RFFE即使接口工作時(shí)接近敏感的射頻輸入，應(yīng)用程序也需要一個(gè)大的單端信號(hào)。這里使用的技術(shù)組合首先使用與應(yīng)用程序要求一致的最低數(shù)據(jù)傳輸速率。然后，我們對(duì)接口波形進(jìn)行曲率控制，以確保任何東西EMI工作頻率僅限于低于本地射頻的工作頻率。圖7是演示其效果的一個(gè)例子。

（a）

（b）

圖7：MIPI聯(lián)盟的RFFE接口結(jié)合數(shù)據(jù)速率選擇和波形整形技術(shù)，將不必要的射頻信號(hào)頻帶控制在主無(wú)線通信頻帶以下:(頂部)26MHz數(shù)據(jù)速率使大多數(shù)信號(hào)能量處于低頻，而（底部）在每個(gè)轉(zhuǎn)換的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)實(shí)現(xiàn)少量曲率控制，這大大提高了EMI抑制性能。

總結(jié)

設(shè)計(jì)的EMI管理是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備中接口和接收器相互透明的關(guān)鍵組成部分。定義這些接口的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，如MIPI聯(lián)盟，最好控制這種能力。

在強(qiáng)調(diào)相互透明度時(shí)M-PHY和RFFE接口規(guī)范制定中獲得的經(jīng)驗(yàn)表明，降低接口規(guī)范EMI?？傊行┘夹g(shù)非常有效，有些技術(shù)則不那么有效。到目前為止，最有效的技術(shù)是良好的物理隔離。第二種是限制差分信號(hào)允許的漂移，并避免使用可能導(dǎo)致指數(shù)接口波形的漂移RC濾波EMI為了減少接口波形上的尖角，采用波形整形技術(shù)尤為有效。

選擇數(shù)據(jù)速率是一種不需要過(guò)濾的技術(shù)。因?yàn)樗鼇?lái)自數(shù)字波形EMI在這里，數(shù)據(jù)速率和所有整數(shù)倍率都有一個(gè)頻譜零，將這些零放置在相關(guān)頻帶附近也是非常有效的。最后，但當(dāng)然，這并不重要。這是為了口波形的振幅。這種技術(shù)對(duì)EMI影響微不足道。

審核編輯：湯梓紅