如何解决便携式产品的电磁干扰问题

电子产品越来越轻薄短小，电子零件的集积度也就越来越高，而电源、接地噪声（Noise）与信号（Signal）及其彼此间的耦合（Coupling）现象，也变成了电子产品在设计时，主要而必须克服的关键因素。而这些无论是来自于系统外部，或是来自于系统本身的噪声或信号，对信号间的辐射（Radiation）或传导（Conduction）干扰问题，若在30MHz到1GHz的频率范围，就是所谓的电磁干扰（EMI， Electromagnetic Interference）问题；当影响到了更高频的无线传播频率区段（RF， Radio Frequency）时，则又称为无线频段干扰（RFI， Radio Frequency Interference）的问题。而在便携式产品中，RFI的问题更严重影响到了产品的通信质量。

要解决这些烦人的电磁干扰问题，首先从大的方向来分类，可分为信号完整性（SI， Signal Integrity）的问题，以及电源完整性（PI， Power Integrity）的问题。在实务的测量解析上，会使用到近场（Near Field）测量的除错模式（Debug Mode），及远场（Far Field）测量的验证模式。如果对于产品的组件特性及边界条件掌握度够高，也可以用仿真软件（如ANSYS、Keysight、CST.。.等公司所提供的电磁interwetten与威廉的赔率体系 工具）来做模拟验证与预测。若要对产品中各组件在各种运作下的特性进一步了解，还会使用时频（Time-Frequency）的数值分析方法（如FFT， HHT， enhance-Morlet Transfer.。.等）。在产品的设计实务上，要解决这些问题的手法，不外乎必需使用到滤波（Filter）、移频（Moving Resonant Frequency）、展频（SSC， Spread Spectrum Clock）。..等手法。展频的手法，在现今的科技多已做入了集成电路（IC， Integrated Circuit）中，大多与频率相关的集成电路都会有展频的设计，主要用在解决信号在线的主频能量太强之问题。移频则是一种较笼统的解决方案之说法，主要目的是把有问题的频率极点位置，移开出目前所在意的频段范围。但是如何找到问题率频点，大多只能仰赖仿真工具来找出频率响应（Resonant）点，才能再想对策（如加滤波组件或改变线宽、线长或方向）来重新布局。但是，由前面所提及的解析注意要项中可知，如果对组件特性及边界条件不够完整的情形下，非常容易变成了GIGO（Garbage In Garbage Out）的结果。而使用滤波器则是最为直观且直接的解决手法，当然其中也蕴含有移频的意味存在，然而各种滤波器却有各自的使用方法及限制。

在解决EMI/RFI问题时，最常使用到的滤波器如图一所示，都是属于低通滤波装置。

其中π型滤波器（π-Model Filter）是最有效率而简单的滤波装置，一般常用的整合性产品又分为CLC及CRC两种类型，如图二所示。CLC滤波装置可以选择对主频率衰减影响最小为考虑，其最主要是用在当系统内部的信号在做传递时，当只需要对其高频的倍频谐波（Homonic）做滤波处理时，能使主频能量尽量保持原大小，而将高频信号滤除。而CRC类型的滤波器，则主要会使用在系统的接口端，可以具有能选择较佳阻抗匹配（Impedance Match）的特性，有效降低因为阻抗不匹配所造成的二次干扰问题。无论那种滤波装置，要考虑滤掉的频率能量是多或是少，还必需考虑信号的倾斜（Skew）及抖动（Jitter）问题来做决定，因此不一定是把所有的高频信号滤掉越多才会越好，有许多时候适当的保留3倍频及5倍频甚至7倍频信号能量，会使得眼图（Eye Diagram）更佳。

然而，在差动信号（Differential Signal）的处理上，正端与负端的信号必需相位差180度的完整信号才能得到最佳的眼图。而来自电源及地端的偶数倍频谐波或是共模噪声（Common-Mode Noise）都会造成差动信号的失真，参考图三中左侧的信号。要解决这个问题，主要就是使用共模型式的滤波抑制器（Common-Mode Choke），利用小信号在电感信号抑制器中，共模信号会被抵消的方式，来过滤掉共模噪声，如图三说明所示。

然而使用图三中的共模滤波（Common-Mode Filter）装置，由于差模信号上相当于也会看到了L型（L-Model）滤波效应，因此使用这种滤波器件必需同时看差模与共模的滤波频段，两者的滤波效果是不同的。到此可以发现，以上两类型的滤波装置都是用来解决信号上的噪声问题。而且，有许多机会是用在产品的接口端，那么静电放电的问题在此也不容被忽视。因此，晶焱科技整合了其系统级的静电防护威廉希尔官方网站 与这些信号滤波产品做了一个完美的结合，如图二及图三中含有TVS（Transient Voltage Suppressor）的滤波装置，就是用来同时有效解决静电及滤波的问题的产品。另外，在使用这些滤波器件时，所需注意的不再是电容的大小，而必须在意信号的传输损耗（Insertion Loss）以及反射损耗（Return Loss），在S参数中的这些信息才代表有多少能量的信号可以传递或反射，藉此信息选择适合的主要频点及要滤波的强度。

在电源及接地部份，系统的印刷电路板（PCB， Printed Circuit Board）中的小信号返回路径（Return Path），为EMI辐射的最主要磁耦极天线（Magnetic Diople Antenna）路径。良好的多层板接地面设计虽然可以降低返回路径的面积，但是如果仅使用不具有减震效果的电容器，再加上在系统内未能设计出良好真实的接地点位置，这样反而会将电源噪声带到了整个接地面，而造成了宽带（Broad Band）噪声。但是，如果使用RC减震器（Snubber），那么就必须要调整RC值到能过滤的频段，这又是另外一项艰难的任务。另一方面，由于主芯片（Main Function Chip）的内部电路设计又会有倍频、除频等需求的设计存在。因此，许多的各种奇、偶倍频小信号能量，就变成了噪声而载波在电源上。再经由系统上的电源及接地设计，而辐射或传导到PCB的各个位置。而在这些繁多集成电路的复杂运作下，又造成这些噪声能量，在主芯片电源接点附近之电压、电流单频信号不再是90度（可用电容或电感降噪）或0度（电阻特性）的相位差。但是单纯的电容或电感的使用下，电压或电流小信号仅能做90度的相位加减。但是，当电压电流相位差不再是90度或0度时，那么使用电容或电感，有时反而使得一些单频噪声更加强，如图四所示是个复杂的迭加（Superposition）效应。

此外，电容的使用也必须注意它有一定的使用频段范围，在超过它的频率返折点后，它就变成电感了，如图五所示。而在频率返折点附近，也会有极点（Pole）问题存在。

晶焱科技为解决以上之问题，利用分支电流的特性，设计出具有能在宽带带范围中，同时侦测电压、电流小信号，并能调变其间的相位差，而做出滤波减震芯片。除具有电源滤波效果外，也可以减低噪声传导到地的能量。并将其设计成电容之大小型式，以方便工程师在产品开发最后阶段的验证时，能够有除了电容以外的最佳而方便的选择，以追求产品量产的时效性（Time To Market）。在便携式产品中的RFI问题，就如同在处理电源噪声问题一般。有些状况是：RF信号原是用来接收使用，但它们一样会耦合到了电源端，而造成部份其它的功能性芯片的失常；另一些情形是：一些功能性芯片（例如摄像头。..等）的倍频信号或电源噪声，耦合到Base Band或RFIC的电源、信号或天线中，而造成这些芯片的功能暂时失效或错误。

欲解决便携式产品的电磁干扰问题，首先第一步须对PI的问题做初步的解析。对于电源及接地的布局，最好能针对各电源抽出各层次来与接地层做重迭审视，对于一些返回路径确认是否己下了对的解决方案。另外，对产品中电源及接地布局，最好能使用模拟工具确认其阻抗特性（Z-Frequency Characteristics）之极点位置，要能尽量避开敏感的频段位置。其次必须确认产品信号上的SI问题（如Impedance Match， Interconnection Bandwidth， Insertion Loss， Return Loss， Cross Talk， Propagation Delay.。.等）是否都已调校好，藉由测量工具确认问题点，选择合适的信号滤波装置。在处理SI问题时，若有再发现一些偶数倍频的问题时，再回头确认一下是共模问题或是电源及接地部份的问题，检验其来源，加上对的滤波对策。能够对产品的SI及PI做了完善的布局解析，并对各式滤波装置的应用特性有充份的了解，选择对的滤波器件，这样对于解决电磁干扰问题就能事半功倍。