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设计技术问答:便携式设备接口设计

上网日期: 2008年05月29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:便携式设备接口设计? 热插拔? 1394? EMI设计?

作者:潘晓磊
高级应用工程师
德州仪器公司

Q1:我在客户端发现有我们的驱动PCB上的ASIC (input LVDS signal)不良情况发生,经过分析,大多是ASIC LVDS信号的输入口被烧坏,我已经测量热插拔时的确有超过30%的瞬间耦合电压,但是在客户端正常情况下热插拔(直接拔掉电源线)不过10次,但是我拿5套客户系统+TFT LCD,每套均重复热插拔300次,均不能复制该现象,可以给一些建议吗?

A1:我也碰到类似的情况,特定的板子和特定的人比较容易烧坏芯片,而其他的板子和其他的人则不太容易。在示波器上观察,前者的脉冲宽度明显要比后者宽。至于究竟是多宽会烧坏芯片还没有定论,我们曾解剖过经历了50次热插拔但还没有损坏的芯片,发现内部的ESD保护层已有损伤,但未被击穿。我们的初步结论是大部分的击穿来自于积累,但不排除一二次瞬间的冲击,不过这比较难于捕捉。

Q2:1394是什么?

A2:1394即IEEE1394,目前有1394a和1394b两个标准,1394a支持100,200,400Mbps三种速率,1394b支持800,1600,3200Mbps三种速率;1394a仅支持屏蔽5类双绞线,传输4.5米,1394b支持5类网线、光纤,可以达到100米。

1394是对等传输方式(peer-to-peer),可以菊花链方式扩展;是即插即用的,不需要一台主机比如PC;有异步和等时两种传输方式;每个总线支持6?个节点;分层的软硬件模式:物理层、链路层、传输层和应用层;公平竞争总线等。

1394目前比较多应用在PC及其周边设备和消费电器。前者比较多见的是1394硬盘和数字摄像机;后者可在越来越多的数字电视机顶盒、PVR、DVD-R等电器上看到。

Q3:我在热插拔液晶显示器DVI信号线和PC显卡上的串口线的时候,都有将显卡串口芯片烧坏的情况发生过,我想问一下,热插拔烧坏芯片的原理?

A3:DVI的地线与信号线等长,在热插拔时两边还没有建立起稳定的共地关系,信号线已经接触,在某些瞬间有虚地的存在,信号线是带电的,所以有大电压耦合到I/O口,当这个电压值超过I/O口的额定电压值30%以上,时间又足够长,就有可能击穿I/O口。

Q4:对于信号线的过电压保护是否有有效的办法?

A4:加钳位二极管是个好主意,需要确定输入电压和响应时间。我知道很多芯片的I/O口内部都加有钳位二极管,但输入电压过高仍然会被击穿。

Q5:我刚接触EMI,但是对于其概念还比较抽象的了解,能不能简单解释一下?有没有关于这方面的文档?

A5:电磁兼容(EMC)意味一个设备与其电磁环境是兼容的,他辐射的电磁能量不会对其附近的其他设备产生电磁干扰(EMI)。今天EMI/EMC控制正变得越来越重要,几乎没有什么新的电路或系统设计可以不考虑EMI/EMC,因为现在的数字时钟已经达到数百兆赫兹的量级。

我介绍一个关于EMI/EMC的网站,有很多很好的文章,对系统学习很有帮助。http://www.sss-mag.com/emc.html

Q6:我在热插拔我们开发板的串口和PC上的串口线的时候,都有将串口芯片烧坏的情况发生过,我想问一下,热插拔烧坏芯片的原理?另外,我们经常插拔评价板上的电源开关是不是也属于此类情况?另外,为什么USB接口就允许热插拔?

A6:先解释一下为什么USB接口允许热插拔,你可以观察USB的插头和插座,5V和地线的引脚比信号线的长,所以电源和地先连通,然后是信号线。所以两边先共地,就不会有大的感应电压耦合到信号线上。热插拔不能避免有瞬间的大电流,所以一般会有电源开关这样的保护电路。串口的引脚是一样长的,所以既存在耦合电压的可能,也存在瞬间电流的可能,而串口芯片又没有类似的保护电路,所以会烧坏芯片。你可以量一下烧坏的芯片,如果是信号线被击穿,一般是过电压;如果是电源线被击穿,一般是过电流,这样你可以采取相应的措施。

Q7:外壳地是否应当与信号地连接,以何种方式连接?线缆的屏蔽层是否应当与外壳连接,亦或是应当与信号地连接,以何种方式连接?另外,两个设备之间若要求共地,是以外壳地共地,还是以信号地共地,应当如何连接?

A7:静电的电荷集聚在物体的表面,一旦遇到可以释放的回路就可以形成电流。有时候产生的电压非常高,特别是在干燥的环境里。电子产品的外壳地就是用来快速地将电荷释放到大地。所以外壳地不应当与信号地直接连接,否则静电产生的电流就会进入机箱内部,并耦合到IC的引脚上,很多时候会造成系统死机,严重的会打坏IC。

当然,信号地最终还是要连到外壳地的,但这是通过螺钉、金属垫片或加电阻/电感这些方式。所以大部分的静电流通过外壳释放,只有很小一部分进入系统内部,不会造成损坏。

外壳是一定需要共地的,所以线缆的屏蔽层应当与外壳连接。不过有时候需要注意屏蔽层有两层,例如1394a的6芯线缆有内外两层屏蔽。内屏蔽是屏蔽数据线的,应该与信号地相连;外屏蔽是最外面的一层,应该连到外壳地。

Q8:在设计中经常出现这样的情况,设计完成的产品不工作或工作不正常,检查到最后才发现是由于各种干扰或噪声引起的。有没有一些简单的方法来判断一些可见的噪声源引起的电路失效和相应的避免措施?

A8: 这一般是阻抗不匹配引起的。很多IC供应商会提供关于EMI设计与PCB布板的建议,例如在TI网站可以看到这样一篇文章,http://focus.ti.com/lit/an/slla117/slla117.pdf,这是针对1394的,比较详细地介绍了EMI的产生原因以及应对措施等。

另外,有一个免费的小工具也可以试一下,可以用来计算布线的特征阻抗。进入http://www.fl-eng.com/,选择”Useful Tools hyperlink“,然后下载“Ztool“。误差小于0.3% ,非常不错。

更多相关Q&A,请参考:http://forum.eetchina.com/topic.jspa?forumID=1000009497







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