無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)EMC問題分析及整改

黃二亮 卜祥磊 唐勇 葉鳳章 黃鑫

摘要：我們設(shè)計的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)由于在開發(fā)設(shè)計時產(chǎn)品的設(shè)計、布局出現(xiàn)了問題，產(chǎn)生了電磁干擾（EMI），造成了電磁兼容性（EMC）問題。我們基于系統(tǒng)電路原理圖，從PCB布局布線設(shè)計等方面優(yōu)化晶振和時鐘信號匹配電路，并介紹如何解決EMI干擾，避免EMC問題。

關(guān)鍵詞：體溫監(jiān)測系統(tǒng);無線;EMC;EMI;匹配電阻;去耦電容

中圖分類號：TNO 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0173-03

0 引言

基于公共無線頻道通訊協(xié)議的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計時由于晶振、時鐘信號布線和設(shè)計問題而產(chǎn)生了電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI），在PCB線路中，晶振是一個輻射發(fā)射源，是產(chǎn)生和導(dǎo)致電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）問題的關(guān)鍵因素之一，時鐘信號無匹配電路設(shè)計也是造成EMI干擾的主要原因[1]。為解決因在產(chǎn)品設(shè)計、布局時造成的EMI干擾問題，本文分析了無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生EMC問題的主要原因，提出了從電路原理圖設(shè)計方面來解決EMC的原理及方案。在其它產(chǎn)品設(shè)計、布局時，如有晶振、時鐘信號的線路設(shè)計布局時，此方案措施也能很好的幫助其解決因此類問題造成的EMC問題和EMI干擾。

1 現(xiàn)象描述

基于公共無線頻道通訊協(xié)議的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行EMC空間輻射測試時因產(chǎn)品本身設(shè)計原因產(chǎn)生了電磁干擾，如圖1所示是系統(tǒng)最初的空間輻射測試數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看出電磁干擾頻率主要為USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片8MHz振蕩晶振的諧波倍頻。從電路原理圖圖2分析，輻射干擾源可能會是由USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的Y5晶振振蕩器及SPI1_SCLK時鐘信號與主控芯片之間通信造成EMC問題，產(chǎn)生EMI電磁干擾。

2 原因分析

整改過程中檢查PCB線路布局發(fā)現(xiàn)時鐘信號電路與主控芯片IC之間通信沒有匹配電阻和去耦電容的線路，Y7、Y5兩個 8MHz振蕩晶振輸入、輸出線是從晶振下方通過，如圖3所示。在晶振振蕩系統(tǒng)開始工作后，從晶振下方經(jīng)過的信號線會產(chǎn)生高頻諧振，從而導(dǎo)致EMC問題，產(chǎn)生EMI干擾，也是造成空間輻射測試不能通過的主要原因。

從電路原理圖中可以看出，USB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的晶振振蕩部分電路雖然有去耦電容，但沒有匹配電阻;時鐘信號電路與主控芯片IC之間通信沒有匹配電阻和去耦電容的電路設(shè)計。結(jié)合測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析，晶振部分電路及時鐘信號電路在電路設(shè)計上沒有完整的匹配措施;同時，晶振及其相應(yīng)時鐘信號由于其周期特性，會因時鐘邊沿速率過快引起信號完整性和電磁兼容等問題，成為PCB的主要騷擾源，并產(chǎn)生較多諧波干擾，導(dǎo)致空間輻射測試超標(biāo)。

通常情況下，當(dāng)PCB電路設(shè)計中有晶振及時鐘信號電路時，晶振線路布線設(shè)計時是否增加匹配電阻和去耦電容，或只加了去耦電容未加匹配電阻，以及時鐘信號線上是否有增加匹配電阻及去耦電容對產(chǎn)生EMC問題，造成EMI干擾有非常大的影響。

匹配電阻在電路設(shè)計中主要有以下兩個作用：

（1）阻抗匹配：因PCB上的布線含有一定的阻抗，會因布線問題產(chǎn)生阻抗失配，引發(fā)信號的完整性產(chǎn)生電磁干擾，即一般會采用源端串聯(lián)一電阻的方式進(jìn)行匹配來保證信號的質(zhì)量[2]。

（2）減緩信號上升沿：匹配電阻R與電容C是一個RC低通濾波電路：

為反映信號響應(yīng)速度的量t，其t值影響信號響應(yīng)速度，從而影響高頻干擾。匹配電阻的取值最好在20～100歐之間，也可在確保信號質(zhì)量的前提下其值越大越好。

去耦電容主要應(yīng)用于信號電路設(shè)計中，完成去耦、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用[3]：

（1）去耦：去耦電容是利用晶體管放大器的發(fā)射極通常含有自給偏壓電阻，使信號產(chǎn)生的壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號去耦。如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個適當(dāng)容量的電容，該電容對交流信號較小的阻抗就可以減小了電阻產(chǎn)生的去耦效應(yīng)。

（2）振蕩/同步：包括RC振蕩器、LC振蕩器及晶體的負(fù)載電容。

（3）時間常數(shù)（t）：是指電阻R和電容C串聯(lián)構(gòu)成積分電路，當(dāng)輸入信號電壓V作用在輸入端時，電容C上的電壓逐漸上升。積分電路的充電電流I伴隨著電壓的上升而減小。電流I通過電阻和電容的特性通過下面的公式描述（其中e為自然常數(shù)）：

在PCB布局設(shè)計時，若要保證時鐘電路有足夠的去耦電容，就必須保證去耦電容的選取要滿足預(yù)期的應(yīng)用。自諧振頻率需要考慮抑制時鐘的諧波，通常我們都要考慮原始時鐘頻率的五次諧波。同時在高頻電路中會因回路電感的影響，需要在PCB上放置有效容性的去耦電容來達(dá)到良好的去耦效果。在實際應(yīng)用中通常采用大電容濾低頻，小電容濾高頻的原則來選取去耦電容值。

3 改進(jìn)措施

對無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的EMC問題整改分析，我們在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：

（1）將晶振布局位置盡量靠近芯片IC，匹配電路設(shè)計置于晶振和芯片IC之間。

（2）時鐘信號增加匹配電阻、去耦電容，晶振的輸入、輸出引腳串聯(lián)匹配電阻。

（3）晶振附近及晶振下不能有信號線、電源線等布線，以免發(fā)生干擾。

依據(jù)以上分析，線路設(shè)計中USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的振蕩晶振部分電路只有去耦電容，沒有匹配電阻。因此，我們首先在晶振的輸入、輸出引腳分別串聯(lián)22歐電阻。經(jīng)測試系統(tǒng)有明顯改善，但仍不能通過測試。按上述思路分析，USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的SPI1_SCLK引腳與主控芯片之間沒有匹配電阻和去耦電容，可能會因此產(chǎn)生諧振，造成諧波干擾。在USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的SPI1_SCLK引腳與主控芯片之間串匹配R30位置51歐電阻，如圖4所示，同時增加C46位置100pF的去耦電容對地后，系統(tǒng)可以通過測試。

系統(tǒng)電路增加了整改措施，調(diào)整了PCB布局，重新進(jìn)行PCB布線設(shè)計，得到整改后的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)。再次進(jìn)行EMC空間輻射測試，系統(tǒng)電路解決了EMI干擾問題，通過了EMC測試，測試數(shù)據(jù)如圖5所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過以上整改測試可以看出，在線路設(shè)計時，通?？梢栽诰д竦妮斎?、輸出引腳增加去耦電容的同時預(yù)留匹配電阻調(diào)試位置，在時鐘信號電路預(yù)留匹配電阻和去耦電容的RC低通濾波電路位置。當(dāng)EMC測試出現(xiàn)問題時，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)匹配電阻值和去耦電容值來改善系統(tǒng)電路電磁兼容性問題，降低輻射干擾。還可在不影響新產(chǎn)品功能、性能的前題下可將匹配電阻改為高頻磁珠來達(dá)到改善EMI干擾的目的。

綜上所述，本文從線路設(shè)計及晶振、時鐘信號造成EMI干擾的原理、匹配電阻與去耦電容的作用等方面闡述了無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)因晶振、時鐘信號引起的EMC問題及如何從線路布局、線路設(shè)計上去解決因此而造成EMI干擾的解決方案，也可運用此方案解決其它帶有晶振和時鐘信號產(chǎn)品的EMC問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 張亮.電磁兼容（EMC）技術(shù)及應(yīng)用實例詳解[M].電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 孔今.EMC設(shè)計開發(fā)內(nèi)參資料[M].電磁兼容工程師論壇，2017.

[3] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析[M].電子工業(yè)出版社，2010.