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数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题【EMC学习】

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题【EMC学习】

【现象描述】

某款数码相机有一USB接口,外壳是塑料材质,内部控制电路印制板是双面板。进行辐射骚扰测试时,该数码相机的USB 接口与电脑相连,并进行数据通信以模拟实际工作情况。

3 m法半电波暗室中的测试结果,该数码相机在辐射接收天线水平极化的情况下,有一点(频率为148.34 MHz) 超过了 EN55022标准中规定的 CLASS B 限值线的要求,还有一点(频率为194. 9 MHz) 只有 0. 38dB的余量。

该数码相机在辐射接收天线在垂直极化的情况下,也有儿点只有很小的余量。

【原因分析】

USB 接口的传输速率很高,周期信号及信号的谐波会通过传输电缆产生辐射骚扰。

另外控制芯片和接口芯片在产生信号时,芯片的地与电源之间也会随信号的摆动,产生噪声。

因此,通常用以下四种方法来抑制 USB 接口的 EMI 噪声, 如下图所示。

(1) USB 接口电缆会采用屏蔽电缆。

(2) 在USB 接口电缆上套上铁氧体磁环 。

(3) 而差分线对上则串联一个共模电感。共模电感由两根导线同方向绕在磁芯材料上,当共模电流通过时,共模电感会因磁通呈叠加而产生高阻抗; 当差模电流通过时,共模电感因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。

(4) USB 接口电路和控制电路电源良好的去耦也是降低 USB接口电路 EMI噪声 的重要部分。

数码相机辐射骚扰问题引发的两个EMC设计问题【EMC学习】 博主推荐 第1张

检查本案例中的数码相机,首先发现,数码相机侧的 USB 屏蔽电缆的屏蔽层与 USB 接口金属连接器采用的是 “Pigtail” 的连接方式,即屏蔽层在靠近金腐连接器时,拧成一股长约 3cm 的线,再焊 接在金屈连接器上。这是一个明显的连接缺陷,Pigtail的存在,相当于在屏 蔽层上串联了一个数十nH 的电感,它能够在接口的电缆屏蔽层上因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。

随着频率的增大,Pigtail 连接的等效转移阻抗也将迅速增大, 这样不但会使屏蔽电缆完全失去屏蔽效果,而且可能产生额外的骚扰。

改变数码相机中屏蔽电缆与金属连接器的连接方式,即将屏蔽电缆屏蔽层与连接器金属外壳进行环形360°搭接。

 

此外,进一步检查数码相机中印制电路板的电路原理,发现接口与控制芯片的电源采用磁珠与电容进行去耦,其中去耦电容 C28 大小为0.1 µF, 实际上0.1 uF的贴片电容并不能很好地为100M压以上频率去耦,原因主要在于两个方面:一是电容本身存在寄生电感;二是去耦电流回路上存在的电感。

对于一个理想的电源来说,其阻抗为零,在平面任何一点的电位都是保持恒定的(等于系统供给电压),然而实际的情况并不如此,而是存在很大的噪声,甚至有可能影响系统的正常工作,去耦电容就是为了降低电源阻抗,保证器件附近的电源稳定在波动较小的范围内。

查阅电容的频率-阻抗特性,得知1000pF左右的贴片电容,如果保证最短 的引线电感(引线电感较长,会使该电容失效),由于1000 pF的电容的自谐振频率是150 MHz 附近,因此可以很好地对高频的噪声进行 抑制,相当千噪声源被旁路,即噪声源的电压幅度降低。

【处理措施】

(1)改变屏蔽电缆屏蔽层与金属连接器的连接方,式取消原来的Pigtail,实现 360°搭接。(2)为接口芯片的电源管脚增加1000 pF的电源去耦电容,并在 PCB布局上靠近电源引脚放置。

【思考与启示】

(1)屏蔽电缆的屏蔽层与连接器的连接很重要,一定要保证360°搭接。

(2)电源去耦电容的选择要考虑被去耦器件的工作频率及其产生的谐波,不要什么器件都用 0.1µF 的电容,一般器件的工作主频20 MHz以下的建议用0.1µF的去耦电容,20 MHz以上的器件用0.01µF 的去耦电容,也可以尝试采用大小并联电容的组合去耦方式,如 0.1 µF电容与1000pF的电容并联,以取得较宽频带的去耦效果,但是还是要注意大小电容容值相差100倍以上。

(3)电源去耦对降低电源阻抗、降低电源噪声和地噪声有很大的帮助,由此对辐射骚扰抑制也有很大的帮助,特别是接口电路电源去耦,因为接口电路附近的电缆就是辐射的天线。

(4)对于浮地设备,电源的去耦、电源和地的完整性对EMC来说显得更加重要。

注:以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》

 

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