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设计低EMI的多媒体接口

上网日期: 2006年09月01日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:低EMI? 多媒体接口? EMI/EMC测试? EMI?

所有世界市场上的电子产品在销售给大众之前,都要进行某种EMI/EMC测试,来证明其不会产生干扰,或者不会被其它设备干扰。出于测试目的,这些产品被分成两类:主动辐射体和非主动辐射体。例如,手机和对讲机就会主动辐射能量,而电视机、电脑或者笔记本电脑则不会。

取决于产品种类和所涉及的中介不同,EMI/EMC测试的要求也有不同,但还是可以大致分为两大类:

·干扰性测试:限定了某产品能辐射或者传导的振幅和频率,从而使其不会对其它设备产生干扰;

·抗干扰性测试(也叫免疫性测试):限定了会干扰其它设备以及发出辐射的辐射信号和传导信号的振幅和频率。

一个设备发出EMI的方式有两种:传导和辐射。这些都是相关的,因为所有的辐射EMI都是由电流而产生,但并不是所有的电流都会产生辐射。因此,首先要研究和抑制辐射干扰问题,然后再处理传导干扰问题。

在这两者中,辐射更难预测和抑制,因此是造成大多数非主动辐射体产品EMI测试失败的原因。在此我们将集中解决产品中普遍带有的音频/视频接口的辐射干扰问题。要满足EMI/EMC规则所规定的限度可以有很多方法,但是他们大都可以被纳入屏蔽和过滤两大类。

在实际操作中,这两大类方法都要与特殊应用方法相结合,来实现一个总的EMI方案。例如,在很多产品中都会有一个金属底盘来屏蔽辐射,以及LC或RC滤波器来降低入线和出线的传导干扰。另外,我们还可以“高频抖动”一个时钟来扩展其频谱,以及降低某个特别应用所要求的过滤或者屏蔽的等级。

如果一个产品的性能得到了初步认证,它就会被拿到一个正规实验室进行正规测试,如果通过了测试,那就可以投入销售了。如果不能通过测试,那问题就来了。如果有问题,那么即便是一个小小的改变也会需要很长时间,而且会推迟产品的上市,因为所有国际和国内市场都要求产品通过EMI/EMC测试。因此,如果是某个视频产品,其EMI设计将不得不牺牲视频的性能,来确保该产品能够通过测试。而为了通过测试,又需要考虑物理尺寸和组件成本,从而使得这一现象在现代设计中更为严重。

在产品尺寸最小化而性能期望值却最高化的现代音频-视频模拟接口领域,这一点体现的尤为明显。要解决这一问题,第一步就是找到EMI/EMC测试失败最多的地方,然后在此基础上找到可能的解决办法。

测试失败的原因所在

EMI/EMC测试的失败发生在一个产品设计过程中的最薄弱的地方,在这种情况下,会有一个信号(以及干扰)进入或者离开产品的屏蔽或者过滤结构。对于某个设备的音频/视频接口,最薄弱的地方就是将该设备与其它设备连接并作为天线使用的连接线缆。对于电脑来说,将显示器和扬声器连接到电脑的连接线是最容易收到干扰的,也是在EMI/EMC测试中最容易产生问题的地方。

我们可能会认为只有涉及到大带宽的视频接口才会有这样的情况,而低频率的音频接口应该不会有这种问题,但真的是这样吗?这只有在过去A类音频放大器中才会成立,而目前所用的高频D类放大器都带有高频转换信号,如果没有适当屏蔽或者过滤,它们也会在EMI测试中产生问题。

在过去,大型外置滤波器和屏蔽线缆都可以解决这些问题,成本也不高,但却让产品性能大打折扣,而且增大了产品的体积。随着这些产品缩减尺寸,并发展到现代的音频和视频播放器,这些方案必须减小尺寸,同时又要保持甚至改进性能。为了实现这一目的,MAX9511图像视频接口和MAX9705 D类音频放大器等芯片都纷纷被开发出来,来在缩减尺寸的同时确保EMI性能。

为了展示这一目的是如何达到的,我们来看看一台普通电脑的音频和显示器接口,以及其通过这些小尺寸的设备达到的EMI性能。首先,我们要了解音频/视频接口设计要解决的不同的EMI问题,以及解决的方法。

视频接口和EMI

电脑普遍采用的视频方式,也就是我们所说的“显卡”,和电视的是不一样的。它带有红、绿、蓝(RGB)模拟视频信号,以及由水平和垂直同步和DDC组成的单独逻辑信号,这些信号的上升和下降时间都很快。电脑一般都采用一个高密度D-subminiature连接器作为视频连接器,将显示器和主机相连。如图1。

图1: 典型的VGA连接以及产生辐射EMI的信号(点击放大图)

尽管这个方案已经结合了视频信号屏蔽和共模扼流圈来降低辐射和传导EMI,但还是需要再增加过滤这一环节,才能够确保满足EMI要求。

为了以最可能高的分辨率复制“开”“关”象素的棋盘状图案,广播视频领域也会采用类似的过滤来从电视图像中消除赝样锯齿,但不是电脑图像。因此,为了实现最好的显示性能,我们都想希望带宽越大越好,但是在实际中,EMI性能和视频性能却无法兼得,因此只好牺牲视频带宽。对于多信号视频接口,这是由多个原因造成的。

例如,当你过滤这些视频时,会产生一个时间延迟,而如果RGB视频通道不能和时序紧密匹配,那么在图像的边缘就会产生“散射”这样的问题。为了避免这一现象,视频通道的群延迟和群延迟匹配必须得到很好的控制。RGB视频很容易受到这两种因素的影响。

为了实现最好的性能,群延迟必须随频率保持一致,通道之间组延迟匹配最小要保持在±1/2个象素时间之内。如果匹配能有如此紧密,那么同步信号也必须跟踪通道延迟,这样才能正确地构成图像。如果这样做,我们又还要解决多个分辨率的问题,电脑的显示器就可以做到这一点。

在此应用中,要通过一个固定频率滤波器来优化性能是很难的。因为如果我们在最低分辨率情况下设计滤波器来抑制EMI,滤波器的阻带可能会介入到高分辨率格式的信号带宽中,从而对其性能产生不利影响。而如果是为了最高分辨率而设计,你可能也满足不了EMI要求。

很显然,最好的方案就是一个频率响应能够跟踪所用的显示分辨率的“可调”滤波器,但是这又增加了成本,而且可能增加产品尺寸。另外,同步和DDC驱动的快速升降时间对于EMI性能也仍然重要,因此在任何完整的EMI方案中,都要把这些考虑在那。当然,还有一些很久以来就存在的问题,例如为了满足即插即用要求而由视频DAC进行的负载检测。

MAX9511就可以满足所有这些要求,图2显示了一个利用MAX9511的高分辨率图形板输出的典型前后性能,并将之和在原始输出上使用一个LC滤波器的方案做了对比。

图 2: 三种辐射情况(点击放大图)

音频和EMI

要在不产生EMI的情况下达到效率和性能,音频有一系列不同的问题。在便携式应用中,我们希望将电池寿命越长越好,但又不希望低效设计产生热量,因此我们广泛使用D类音频放大器。

问题是D类放大器运用PWM来实现高效率,这一点和交换式电源供应器很类似。将未屏蔽扬声器的连接线接到输出上,会使其像天线那样辐射EMI。尽管时钟频率高于音频频谱,一般是在300 kHz 到1 MHz,但它是一个谐波含量很大的方波,而且用来消除谐波的滤波器又大又昂贵。因此,就因为尺寸原因,在便携式应用如笔记本电脑中,这不是一个可行的方案。

一般的设计拓扑也起不到作用。要将输出音频功率最大化,便携式设备只有采用一个输出连接,我们称为桥接式负载(BTL),此时扬声器的两根线都得到有效驱动。如图3所示范例:

图3: 一个典型的D类放大器方案(点击放大图)

此方案采用一个比较仪来监控模拟输入电压,并将之比作一个三角时钟波形。当三角波形的输入量超过音频输入电压时,比较仪会断开,同时一个逆变器会产生互补PWM波形,来驱动BTL输出部位的另一面。因此,带有两个感应器(L1和L2)和两个电容器(C1和C2)的输出滤波器的要求实际上是一个单端音频输出所要求的两倍。由于需要处理峰值输出电流,感应器尺寸都很大,并占据了大部分空间。

借助于扬声器声音线圈的感应和离散电容器,D类放大器可以用来运行一个滤波器,但是由于连接线仍然会辐射相当数量的能量,使用内置扬声器还是会有限制。有一个方法是更改交换流程,使得放大器在保持高效的同时,又能减少EMI,并因此而需要一个更小的滤波器。

要实现这一目的,可以调制时钟的频率降低能量。在缩小点返回之前,时钟频率的扩频调制或者“抖动”扩展频谱的范围是有限的。如图4,我们可以看到这种技术对一个典型辐射图案的作用。

图4: MAX9705辐射数据(MAX9705EV套件,SSM模式,12英寸长的非屏蔽双绞线)(点击放大图)

由于输出功率水平高于数百毫瓦,一部分带有SSM并超过几英寸的扬声器连线会辐射太多的能量。此时,即便提高时钟频率也是无济于事的,因为随着频率的升高,D类放大器的输出光谱会降低,但是扬声器的连接线会变得像天线一样高效,使得任何性能上的改进都无法实现。要进一步改进EMI性能,就要求更改D类放大器本身所采用的PWM波形。这可以通过一种已经申请专利的,被称为有效辐射限制(AEL)的方法来实现。

AEL电路所采取的第一步,就是设置放大器的最小脉宽,这不像图3中的那样受到设计的限制。结合重叠、升降时间和时钟频率,最小脉宽将过程中产生的功率谱限制在一个给定的输出功率的水平。这样做的目的是为了将之降低到一定的水平,使得各部分在没有外置过滤的情况下都可以运行,同时即便是带有24英寸长的外置扬声器连接线,其辐射也能保持在辐射干扰限制范围之内。

我们也希望能够实现足够的音频性能,而达到这一目的需要至少2瓦的峰值功率输出。同时,我们还想将热量最小化,并让电池寿命延长至极限,所以我们需要能在低电压单输入运行的情况下实现高效率,以及适用于耳机的低功率关闭模式。此时,总谐波失真加噪音(THD+N)必须很低,而信噪比必须很高,并能进行咔嗒声-怦然声抑制,同时输入必须能和单端或者微分输入相兼容。

图5展示了美信D类放大器中有效辐射限制所用的技术。从图中我们并不能马上看出交换是如何完成的。如果将驱动调整到最佳,并采用零死时控制,MAX9705 D类放大器的效率可以高于90%。独特的专利型扩频调制模式抑制了光谱组件,降低了连接线和扬声器辐射出的EMI。

在立体声或者多通道操作中,一个同步输入将放大器的频率控制在80 kHz到2 MHz之间,以便能将互调产生的辐射最小化,否则互调产生的辐射就会由多个自由运行的辐射源产生。这个方案结合了两种独特技术:SSM和AEL,使得美信的D类放大器可以在FCC第15部分规定的EMI限制范围之内,在带有24英寸长的未屏蔽扬声器连接线的情况下运行"filter-less",如图4所示。

图5: 美信的D类放大器带有一个内部产生的锯齿,和一个微分输入;如果使用一个单端输入,就会从内部产生一个为微分输入。(点击放大图)

除了EMI,音频的THD+D在功率为1W时可低至0.02%,而在功率为2.3瓦时增至1%,SNR为90dB。输入可以由一个带有+6dB, +12dB, +15.6dB或+20dB的固定增益的微分或者单端源来供给,并适用于任何应用。另外还有一个可以将功耗最小化的关闭模式,以及一个同步输入,让MAX9705可以提供单声道、立体声或者多通道高性能音频,同时又在带有外置扬声器但不需要滤波器的情况下满足EMI辐射要求。

图5所示的MAX9511图形视频接口给RGB视频提供了一个匹配的、三通道的可调EMI滤波器,范围覆盖了从VGA到UXGA的分辨率,通道至通道偏移误差小于0.5ns。另外,它更换了一个单电阻器,从而实现了调谐功能。

这使得在最终的EMI/EMC测试中,不需要对机械或者电气部分作出任何更改,就可以改进一个产品的EMI性能。RGB视频输出是低阻抗(Zout小于1Ω),再结合75Ω的反向终端,可在远程监控器和坞站之间提供一个45到50dB的隔离。以前,要驱动两个不同的输出,这个方法需要进行一次交换,以避免LC滤波器的输出上会附上一个长的未终止端头。在图6中,我们可以看到输出负载是如何被检测到,并作为一个DAC终端阻抗上的明显改变被映射到输入上的。

图6: 带有EMI抑制功能的MAX9511 VGA接口(点击放大图)

驱动RGB输入的视频控制器可以感应到,同时,如果没有负载,可以通过关闭管脚来关闭视频和同步输出。为了支持即插即用式应用,DDC会一直处于开启状态,同时,驱动器可以将低电压控制器水平转换到标准的5V的接口水平。同步驱动器具有一个标准的50 Z的输出阻抗,可以通过一个单外置电容器来配置以过滤边缘,如图7所示,而同步抖动(没有电容器的情况下)则一般都少于0.5ns。

图7: 一个MAX9511驱动多个输出,带有由一个MAX5432 I2C可调节数字电位计控制的可调节过滤。(点击放大图)

视频性能:增益为+6dB,SNR为50dB,线性误差为0.036%,过冲和下冲小于1%,带有抑制良好的响应。

作者:Bill Stutz和Kymberly Schmidt

美信集成产品公司






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