張露華

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院,福建 福州 350002）

電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）是一門新興的綜合性學(xué)科，是使電氣裝置或系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境條件下，既不受電磁環(huán)境的影響，也不會(huì)干擾環(huán)境[1]。電磁兼容的三要素是騷擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。PCB板上安裝的時(shí)鐘信號(hào)是一種引起PCB板電磁兼容問(wèn)題的常見(jiàn)且重要的輻射源，良好的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是PCB板的電磁兼容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文章從一個(gè)視頻處理終端騷擾功率頻點(diǎn)超標(biāo)案例出發(fā)，對(duì)如何降低時(shí)鐘（騷擾源）的干擾進(jìn)行分析，提出解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證該方案的有效性。

1 騷擾功率測(cè)試原理和方法

標(biāo)準(zhǔn)GB13837規(guī)定，對(duì)于有關(guān)設(shè)備不測(cè)量騷擾場(chǎng)強(qiáng)而是測(cè)量其騷擾功率，因此騷擾功率測(cè)試是絕大多數(shù)AV類產(chǎn)品（收音機(jī)和電視機(jī)除外）產(chǎn)品在認(rèn)證時(shí)的EMC測(cè)試項(xiàng)目之一[2]。

通常環(huán)境下，當(dāng)頻率超過(guò)30 MHz時(shí)，設(shè)備所產(chǎn)生的騷擾能量通過(guò)輻射傳播到被騷擾的接收機(jī)，結(jié)果表明，大部分能量是由靠近設(shè)備的電源線及其他連線向外輻射的。因此，可用被測(cè)設(shè)備電源線和其他連線上的騷擾功率來(lái)定義其騷擾電平，這一功率近似等于由套在這些連線上的合適的吸收鉗在吸收功率最大位置上的測(cè)量值。

被測(cè)設(shè)備置于高度為0.8 m的非金屬臺(tái)上，距其他金屬物體或人體至少0.8 m，被測(cè)饋線應(yīng)在臺(tái)子上平直展開(kāi)，其長(zhǎng)度要足夠放置吸收鉗和必要時(shí)調(diào)整吸收鉗的位置以獲取最大輻射值。將吸收鉗套在被測(cè)饋線上，其電流變換器一端應(yīng)朝向被測(cè)設(shè)備,以便測(cè)量饋線上的騷擾功率。騷擾功率的測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 騷擾功率的測(cè)量原理

測(cè)試時(shí)，干擾信號(hào)的傳輸路徑為：首先吸收鉗將捕獲的干擾轉(zhuǎn)換成電流形式，再通過(guò)同軸線纜傳輸?shù)綔y(cè)量接收機(jī)，然后依次用吸收鉗測(cè)量長(zhǎng)度超過(guò)25 cm的屏蔽或非屏蔽連接線,這些連接線是連接至被測(cè)設(shè)備的各自獨(dú)立單元上，最后滑動(dòng)吸收鉗，依次尋找每條線纜上吸收功率最大的位置，該位置的讀數(shù)即為這條線纜的最大騷擾電平。

2 視頻處理終端端騷擾功率超標(biāo)問(wèn)題

對(duì)某視頻處理終端按照GB/T 13837-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，播放標(biāo)準(zhǔn)垂直彩條信號(hào)。其電源端口和HDMI端口的騷擾功率測(cè)試圖形和超標(biāo)頻點(diǎn)測(cè)試值分別如圖2（a）和圖2（b）所示，上下兩根曲線分別代表準(zhǔn)峰值和平均值的限值。從測(cè)試結(jié)果看148.5 MHz頻點(diǎn)測(cè)試不合格，且該頻點(diǎn)從圖形上看是屬于“單根刺”形狀的窄帶波形，可能是時(shí)鐘頻率干擾導(dǎo)致。

圖2（a） 電源端口騷擾功率測(cè)試結(jié)果

3 分析整改

對(duì)機(jī)內(nèi)主板上的各時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)內(nèi)一塊轉(zhuǎn)接板上有用到一顆148.5 MHz的有源晶振，如圖3所示。

圖3 內(nèi)機(jī)主板

首先考慮改善整機(jī)及I/O接口外殼接地，用萬(wàn)用表測(cè)量整個(gè)機(jī)殼的接地情況，采用銼刀將機(jī)殼外層絕緣漆刮除，并用導(dǎo)電膠布保證各部分機(jī)殼間的良好搭接，用導(dǎo)電泡棉良好連接各I/O接口外殼與金屬外殼。重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線沒(méi)有下降，該整改方式無(wú)效。

接下來(lái)對(duì)該148.5 MHz有源晶振的電路原理圖進(jìn)行分析：靠近晶振的電源引腳設(shè)計(jì)了兩個(gè)去耦電容，容值分別為1 u跟0.01 u。晶振的時(shí)鐘輸出端跟CPU之間串聯(lián)一個(gè)220 Ω的匹配電阻。

有源晶振的典型電路原理圖如圖4所示。

圖4 有源晶振的典型電路原理

（1）電源通過(guò)一個(gè)磁珠后接入晶振引腳，這樣可以降低電源噪聲對(duì)時(shí)鐘輸出頻率的影響。晶振電源的去耦電容一般選3個(gè)，電容值之間最好相差一個(gè)數(shù)量級(jí)（如1 uF、0.1 uF、0.01 uF并聯(lián)），這樣可以過(guò)濾更寬頻率范圍內(nèi)的電源噪聲。

（2）輸出端串聯(lián)一個(gè)小電阻R1，主要有兩個(gè)作用：一是進(jìn)行阻抗匹配，減小回波干擾及導(dǎo)致的信號(hào)過(guò)沖。阻抗不匹配的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，有源晶體的輸出阻抗通常都很低，而信號(hào)源的輸入端在芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)上通常是運(yùn)放的輸入端，這個(gè)運(yùn)放的輸出阻抗都在兆歐以上。二是減少諧波，有源晶體輸出的是方波，在阻抗嚴(yán)重不匹配的情況下，會(huì)更容易引起諧波干擾。加入電阻R1與輸入電容構(gòu)成RC積分平滑電路，將方波轉(zhuǎn)換為近似正弦波，雖然信號(hào)的完整性受到影響，但由于該信號(hào)還要經(jīng)過(guò)后級(jí)放大、整形后才作為時(shí)鐘信號(hào)，所以可以在保證性能的基礎(chǔ)上減少諧波干擾。因此R1的大小需要根據(jù)輸入端的阻抗、輸入等效電容，有源晶體的輸出阻抗等因素選擇。有時(shí)，不同批次的板子特性不一樣，需要在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中調(diào)整確定以達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）輸出電阻R1后端一般還會(huì)預(yù)留設(shè)計(jì)電容C4，C4與串聯(lián)電阻R1組成RC濾波電路，減少時(shí)鐘信號(hào)的過(guò)沖，C4值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)有源晶振的典型電路圖分析，嘗試對(duì)轉(zhuǎn)接板上晶振電路進(jìn)行調(diào)整，先是在電源端增加一個(gè)容值為0.1 uF去耦電容，測(cè)試曲線有所下降但仍不符合要求；接著調(diào)整時(shí)鐘線上串聯(lián)電阻的阻值，發(fā)現(xiàn)加大或減小該電阻阻值時(shí)，電源端口超標(biāo)頻點(diǎn)的測(cè)試值會(huì)有明顯變化，不斷修改該電阻阻值，反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)串聯(lián)電阻值為100 Ω時(shí)，改善最明顯，測(cè)試結(jié)果符合要求且還有約3 dB的余量。因余量不是很大，繼續(xù)增加整改措施驗(yàn)證，在匹配電阻后端增加一個(gè)濾波電容，不斷調(diào)整容值，當(dāng)電容容量為470 pF時(shí),測(cè)試余量達(dá)到5 dB以上。

4 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)轉(zhuǎn)接板上晶振電路進(jìn)行如下處理：（1）調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)線上匹配電阻阻值，由阻值220 Ω調(diào)整為100 Ω；（2）輸出線上匹配電阻后端增加電容濾波，組成RC匹配濾波電路，電容容量為470 pF；（3）晶振電源處增加一個(gè)容值為0.1 uF去耦電容。

按照以上措施對(duì)主板整改如圖5所示。

圖5 整改后的機(jī)內(nèi)主板

整改后該視頻處理終端電源端口和HDMI端口的電源端騷擾功率最終測(cè)試結(jié)果分別如圖6（a）和6（b）所示。原先

圖6（a） 整改后電源端口騷擾功率測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

做好時(shí)鐘信號(hào)的匹配和電源供電口的濾波是解決時(shí)鐘噪聲干擾的常用措施，從原理圖來(lái)看，前期設(shè)計(jì)時(shí)按照典型電路（見(jiàn)圖4）設(shè)計(jì)，做好濾波電容預(yù)留，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整濾波電容和時(shí)鐘線上的匹配電阻值來(lái)達(dá)到最佳EMC效果。超標(biāo)的148.5 MHz已符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求，并且余量達(dá)到5 dB以上，通過(guò)測(cè)試。

圖6（b） 整改后HDMI端口騷擾功率測(cè)試結(jié)果