高速數(shù)字接口中EMI應該如何消除

小尺寸低成本高速串行(HSS)接口對于體積小、功耗低、重量輕的移動設備來說尤其有價值。當移動設備必須與遠程網(wǎng)絡通信時，會發(fā)生電磁干擾(EMI)，因為現(xiàn)代HSS通常比移動設備使用的無線通信頻率更高。

電磁兼容科學告訴我們(根據(jù)麥克斯韋方程):當電子移動時，射頻信號肯定會產(chǎn)生。在設計中，可以使用七種主要技術進行管理EMI，它們是:隔離、信號幅值、偏移范圍、數(shù)據(jù)速率、信號平衡、擺動速率控制和波形整形。這些技術有不同的功能，我們會逐一討論。

隔離

物理隔離可能是最明顯的技術。對于射頻信號，如果可以的話“屏蔽”那么它就不會干擾任何其他信號。雖然隔離永遠不會完美，而且在蜂窩或無線局域網(wǎng)頻率下，實際隔離分貝值為20~40dB之間。達到這個水平的隔離解決方案EMI問題通常是必要的。所以，仔細測量IC封裝和PCB可供布局的隔離非常重要。

圖1.用于當代表帖射頻封裝的一個隔離罩

信號幅度

降低接口信號的幅值肯定會降低EMI，但是效果不大。若信號幅值減半，EMI僅降低6dB。這可能足以擺脫閉鎖問題(closeproblem)，然而，這種方法也降低了接收器的裕度，并可能導致接口錯誤?；诖耍詈靡源俗鳛榛貞狤MI問題的最后手段。

漂移和平衡

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

圖2:信號平衡和漂移的組比較

圖表顯示，管理漂移比獲得一個非常封閉的信號平衡要重要得多。甚至在2%UI信號平衡誤差高達10%的影響在漂移過程中也是微不足道的。信號平衡只有在漂移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)字信號的射頻譜具有不同的特征，從EMI從這個角度來看，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濾波器中都是獨立存在的。通過改變數(shù)據(jù)速率，而不是將頻譜零值移動到射頻接收器的頻帶附近，以去除進入接收器的值EMI，這是一個切實可行的選擇。對于必須識別多個衛(wèi)星發(fā)回的極弱信號的信號GPS對于接收器來說，這一點尤為重要。圖3顯示了這種幫助保護GPS接收器技術，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)速率會移動頻譜零值。這是無需任何濾波、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)生的側瓣（這些側瓣頻率高于數(shù)據(jù)速率）EMI總之，它可以通過降低每個波形轉(zhuǎn)換的擺動速率來抑制。這是有效的，因為意外射頻信號的總帶寬不是由數(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)表明該技術確實影響接口信號“眼圖”。盡管完全睜開的眼睛寬度變窄，但眼睛頂部和底部之間的分離并沒有受到影響。這是使用這種過濾技術必須付出的代價。

請注意：擺動速率控制只會降低側瓣的振幅。對主瓣的任何影響都可以忽略不計。這既有優(yōu)點也有缺點：這意味著擺動速率控制不會稀釋數(shù)據(jù)內(nèi)容。缺點是，當干擾頻率來自主瓣時，技術將無效?；谶@個原因，M-PHY的MIPIAllianceDigRFSM在其他應用中，人們傾向于使用每個信道以較低的數(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：壓擺率控制對差分信號頻率較高的側瓣影響：頂部)眼圖邊緣轉(zhuǎn)換時間定義；底部)和變換相應的頻譜。

波形整形

控制壓力擺動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。其他波形確實會影響EMI值，結果有好有壞。例如，圖5b簡單地展示RC通過濾波獲得的指數(shù)波形效應。在這里，EMI事實上，情況變得更糟了。原因是，在任何轉(zhuǎn)換開始時，指數(shù)波形都形成一個尖角，即使任何轉(zhuǎn)換的末端都是光滑的。但是在轉(zhuǎn)換結束時，侵權已經(jīng)發(fā)生。

圖5c結果表明，當從接口波形中去除所有尖角時，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，因此有時被稱為波形曲率限制。

（a）

（b）

（c）

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

技術組合拳

所有的EMI管理技術始于最大化物理隔離。除了隔離，不同的技術將根據(jù)接口標準化委員會遇到的具體問題采用。以下介紹來自公告MIPI兩個標準的例子。

MIPI聯(lián)盟的M-PHY規(guī)范是一個使用低幅值差分信號的規(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線通信頻率，因此組合使用數(shù)據(jù)速率選擇、擺動速率控制和漂移邊界來減少內(nèi)部（包括可能的單片）射頻接收器輸入端的出現(xiàn)EMI。圖6是這種改善的一個例子。

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

MIPI射頻前端聯(lián)盟(RFFE)不同的不同的問題，技術管理也不同EMI。RFFE即使接口工作時接近敏感的射頻輸入，應用程序也需要一個大的單端信號。這里使用的技術組合首先使用與應用程序要求一致的最低數(shù)據(jù)傳輸速率。然后，我們對接口波形進行曲率控制，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例子。

（a）

（b）

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

總結

設計的EMI管理是實現(xiàn)移動設備中接口和接收器相互透明的關鍵組成部分。定義這些接口的標準化委員會，如MIPI聯(lián)盟，最好控制這種能力。

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

選擇數(shù)據(jù)速率是一種不需要過濾的技術。因為它來自數(shù)字波形EMI在這里，數(shù)據(jù)速率和所有整數(shù)倍率都有一個頻譜零，將這些零放置在相關頻帶附近也是非常有效的。

審核編輯：湯梓紅