所有世界市場上的電子產(chǎn)品在銷售給大眾之前，都要進行某種EMI/EMC測試，來證明其不會產(chǎn)生干擾，或者不會被其它設(shè)備干擾。出于測試目的，這些產(chǎn)品被分成兩類：主動輻射體和非主動輻射體。例如，手機和對講機就會主動輻射能量，而電視機、電腦或者筆記本電腦則不會。
取決于產(chǎn)品種類和所涉及的中介不同，EMI/EMC測試的要求也有不同，但還是可以大致分為兩大類：
?干擾性測試：限定了某產(chǎn)品能輻射或者傳導(dǎo)的振幅和頻率，從而使其不會對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾；
?抗干擾性測試（也叫免疫性測試）：限定了會干擾其它設(shè)備以及發(fā)出輻射的輻射信號和傳導(dǎo)信號的振幅和頻率。
一個設(shè)備發(fā)出EMI的方式有兩種：傳導(dǎo)和輻射。這些都是相關(guān)的，因為所有的輻射EMI都是由電流而產(chǎn)生，但并不是所有的電流都會產(chǎn)生輻射。因此，首先要研究和抑制輻射干擾問題，然后再處理傳導(dǎo)干擾問題。
在這兩者中，輻射更難預(yù)測和抑制，因此是造成大多數(shù)非主動輻射體產(chǎn)品EMI測試失敗的原因。在此我們將集中解決產(chǎn)品中普遍帶有的音頻/視頻接口的輻射干擾問題。要滿足EMI/EMC規(guī)則所規(guī)定的限度可以有很多方法，但是他們大都可以被納入屏蔽和過濾兩大類。
在實際操作中，這兩大類方法都要與特殊應(yīng)用方法相結(jié)合，來實現(xiàn)一個總的EMI方案。例如，在很多產(chǎn)品中都會有一個金屬底盤來屏蔽輻射，以及LC或RC濾波器來降低入線和出線的傳導(dǎo)干擾。另外，我們還可以“高頻抖動”一個時鐘來擴展其頻譜，以及降低某個特別應(yīng)用所要求的過濾或者屏蔽的等級。
如果一個產(chǎn)品的性能得到了初步認證，它就會被拿到一個正規(guī)實驗室進行正規(guī)測試，如果通過了測試，那就可以投入銷售了。如果不能通過測試，那問題就來了。如果有問題，那么即便是一個小小的改變也會需要很長時間，而且會推遲產(chǎn)品的上市，因為所有國際和國內(nèi)市場都要求產(chǎn)品通過EMI/EMC測試。因此，如果是某個視頻產(chǎn)品，其EMI設(shè)計將不得不犧牲視頻的性能，來確保該產(chǎn)品能夠通過測試。而為了通過測試，又需要考慮物理尺寸和組件成本，從而使得這一現(xiàn)象在現(xiàn)代設(shè)計中更為嚴(yán)重。
在產(chǎn)品尺寸最小化而性能期望值卻最高化的現(xiàn)代音頻－視頻模擬接口領(lǐng)域，這一點體現(xiàn)的尤為明顯。要解決這一問題，第一步就是找到EMI/EMC測試失敗最多的地方，然后在此基礎(chǔ)上找到可能的解決辦法。
測試失敗的原因所在
EMI/EMC測試的失敗發(fā)生在一個產(chǎn)品設(shè)計過程中的最薄弱的地方，在這種情況下，會有一個信號(以及干擾)進入或者離開產(chǎn)品的屏蔽或者過濾結(jié)構(gòu)。對于某個設(shè)備的音頻/視頻接口，最薄弱的地方就是將該設(shè)備與其它設(shè)備連接并作為天線使用的連接線纜。對于電腦來說，將顯示器和揚聲器連接到電腦的連接線是最容易收到干擾的，也是在EMI/EMC測試中最容易產(chǎn)生問題的地方。
我們可能會認為只有涉及到大帶寬的視頻接口才會有這樣的情況，而低頻率的音頻接口應(yīng)該不會有這種問題，但真的是這樣嗎？這只有在過去A類音頻放大器中才會成立，而目前所用的高頻D類放大器都帶有高頻轉(zhuǎn)換信號，如果沒有適當(dāng)屏蔽或者過濾，它們也會在EMI測試中產(chǎn)生問題。
在過去，大型外置濾波器和屏蔽線纜都可以解決這些問題，成本也不高，但卻讓產(chǎn)品性能大打折扣，而且增大了產(chǎn)品的體積。隨著這些產(chǎn)品縮減尺寸，并發(fā)展到現(xiàn)代的音頻和視頻播放器，這些方案必須減小尺寸，同時又要保持甚至改進性能。為了實現(xiàn)這一目的，MAX9511圖像視頻接口和MAX9705 D類音頻放大器等芯片都紛紛被開發(fā)出來，來在縮減尺寸的同時確保EMI性能。
為了展示這一目的是如何達到的，我們來看看一臺普通電腦的音頻和顯示器接口，以及其通過這些小尺寸的設(shè)備達到的EMI性能。首先，我們要了解音頻/視頻接口設(shè)計要解決的不同的EMI問題，以及解決的方法。
視頻接口和EMI
電腦普遍采用的視頻方式，也就是我們所說的“顯卡”，和電視的是不一樣的。它帶有紅、綠、藍(RGB)模擬視頻信號，以及由水平和垂直同步和DDC組成的單獨邏輯信號，這些信號的上升和下降時間都很快。電腦一般都采用一個高密度D-subminiature連接器作為視頻連接器，將顯示器和主機相連。如圖1。
圖1: 典型的VGA連接以及產(chǎn)生輻射EMI的信號(點擊放大圖)
盡管這個方案已經(jīng)結(jié)合了視頻信號屏蔽和共模扼流圈來降低輻射和傳導(dǎo)EMI，但還是需要再增加過濾這一環(huán)節(jié)，才能夠確保滿足EMI要求。
為了以最可能高的分辨率復(fù)制“開”“關(guān)”象素的棋盤狀圖案，廣播視頻領(lǐng)域也會采用類似的過濾來從電視圖像中消除贗樣鋸齒，但不是電腦圖像。因此，為了實現(xiàn)最好的顯示性能，我們都想希望帶寬越大越好，但是在實際中，EMI性能和視頻性能卻無法兼得，因此只好犧牲視頻帶寬。對于多信號視頻接口，這是由多個原因造成的。
例如，當(dāng)你過濾這些視頻時，會產(chǎn)生一個時間延遲，而如果RGB視頻通道不能和時序緊密匹配，那么在圖像的邊緣就會產(chǎn)生“散射”這樣的問題。為了避免這一現(xiàn)象，視頻通道的群延遲和群延遲匹配必須得到很好的控制。RGB視頻很容易受到這兩種因素的影響。
為了實現(xiàn)最好的性能，群延遲必須隨頻率保持一致，通道之間組延遲匹配最小要保持在±1/2個象素時間之內(nèi)。如果匹配能有如此緊密，那么同步信號也必須跟蹤通道延遲，這樣才能正確地構(gòu)成圖像。如果這樣做，我們又還要解決多個分辨率的問題，電腦的顯示器就可以做到這一點。
在此應(yīng)用中，要通過一個固定頻率濾波器來優(yōu)化性能是很難的。因為如果我們在最低分辨率情況下設(shè)計濾波器來抑制EMI，濾波器的阻帶可能會介入到高分辨率格式的信號帶寬中，從而對其性能產(chǎn)生不利影響。而如果是為了最高分辨率而設(shè)計，你可能也滿足不了EMI要求。
很顯然，最好的方案就是一個頻率響應(yīng)能夠跟蹤所用的顯示分辨率的“可調(diào)”濾波器，但是這又增加了成本，而且可能增加產(chǎn)品尺寸。另外，同步和DDC驅(qū)動的快速升降時間對于EMI性能也仍然重要，因此在任何完整的EMI方案中，都要把這些考慮在那。當(dāng)然，還有一些很久以來就存在的問題，例如為了滿足即插即用要求而由視頻DAC進行的負載檢測。
MAX9511就可以滿足所有這些要求，圖2顯示了一個利用MAX9511的高分辨率圖形板輸出的典型前后性能，并將之和在原始輸出上使用一個LC濾波器的方案做了對比。
圖 2: 三種輻射情況(點擊放大圖)
音頻和EMI
要在不產(chǎn)生EMI的情況下達到效率和性能，音頻有一系列不同的問題。在便攜式應(yīng)用中，我們希望將電池壽命越長越好，但又不希望低效設(shè)計產(chǎn)生熱量，因此我們廣泛使用D類音頻放大器。
問題是D類放大器運用PWM來實現(xiàn)高效率，這一點和交換式電源供應(yīng)器很類似。將未屏蔽揚聲器的連接線接到輸出上，會使其像天線那樣輻射EMI。盡管時鐘頻率高于音頻頻譜，一般是在300 kHz 到1 MHz，但它是一個諧波含量很大的方波，而且用來消除諧波的濾波器又大又昂貴。因此，就因為尺寸原因，在便攜式應(yīng)用如筆記本電腦中，這不是一個可行的方案。
一般的設(shè)計拓撲也起不到作用。要將輸出音頻功率最大化，便攜式設(shè)備只有采用一個輸出連接，我們稱為橋接式負載(BTL)，此時揚聲器的兩根線都得到有效驅(qū)動。如圖3所示范例：
圖3: 一個典型的D類放大器方案(點擊放大圖)
此方案采用一個比較儀來監(jiān)控模擬輸入電壓，并將之比作一個三角時鐘波形。當(dāng)三角波形的輸入量超過音頻輸入電壓時，比較儀會斷開，同時一個逆變器會產(chǎn)生互補PWM波形，來驅(qū)動BTL輸出部位的另一面。因此，帶有兩個感應(yīng)器(L1和L2)和兩個電容器(C1和C2)的輸出濾波器的要求實際上是一個單端音頻輸出所要求的兩倍。由于需要處理峰值輸出電流，感應(yīng)器尺寸都很大，并占據(jù)了大部分空間。
借助于揚聲器聲音線圈的感應(yīng)和離散電容器，D類放大器可以用來運行一個濾波器，但是由于連接線仍然會輻射相當(dāng)數(shù)量的能量，使用內(nèi)置揚聲器還是會有限制。有一個方法是更改交換流程，使得放大器在保持高效的同時，又能減少EMI，并因此而需要一個更小的濾波器。
要實現(xiàn)這一目的，可以調(diào)制時鐘的頻率降低能量。在縮小點返回之前，時鐘頻率的擴頻調(diào)制或者“抖動”擴展頻譜的范圍是有限的。如圖4，我們可以看到這種技術(shù)對一個典型輻射圖案的作用。
圖4: MAX9705輻射數(shù)據(jù)(MAX9705EV套件，SSM模式，12英寸長的非屏蔽雙絞線)(點擊放大圖)
由于輸出功率水平高于數(shù)百毫瓦，一部分帶有SSM并超過幾英寸的揚聲器連線會輻射太多的能量。此時，即便提高時鐘頻率也是無濟于事的，因為隨著頻率的升高，D類放大器的輸出光譜會降低，但是揚聲器的連接線會變得像天線一樣高效，使得任何性能上的改進都無法實現(xiàn)。要進一步改進EMI性能，就要求更改D類放大器本身所采用的PWM波形。這可以通過一種已經(jīng)申請專利的，被稱為有效輻射限制(AEL)的方法來實現(xiàn)。
AEL電路所采取的第一步，就是設(shè)置放大器的最小脈寬，這不像圖3中的那樣受到設(shè)計的限制。結(jié)合重疊、升降時間和時鐘頻率，最小脈寬將過程中產(chǎn)生的功率譜限制在一個給定的輸出功率的水平。這樣做的目的是為了將之降低到一定的水平，使得各部分在沒有外置過濾的情況下都可以運行，同時即便是帶有24英寸長的外置揚聲器連接線，其輻射也能保持在輻射干擾限制范圍之內(nèi)。
我們也希望能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的音頻性能，而達到這一目的需要至少2瓦的峰值功率輸出。同時，我們還想將熱量最小化，并讓電池壽命延長至極限，所以我們需要能在低電壓單輸入運行的情況下實現(xiàn)高效率，以及適用于耳機的低功率關(guān)閉模式。此時，總諧波失真加噪音(THD+N)必須很低，而信噪比必須很高，并能進行咔嗒聲-怦然聲抑制，同時輸入必須能和單端或者微分輸入相兼容。
圖5展示了美信D類放大器中有效輻射限制所用的技術(shù)。從圖中我們并不能馬上看出交換是如何完成的。如果將驅(qū)動調(diào)整到最佳，并采用零死時控制，MAX9705 D類放大器的效率可以高于90％。獨特的專利型擴頻調(diào)制模式抑制了光譜組件，降低了連接線和揚聲器輻射出的EMI。
在立體聲或者多通道操作中，一個同步輸入將放大器的頻率控制在80 kHz到2 MHz之間，以便能將互調(diào)產(chǎn)生的輻射最小化，否則互調(diào)產(chǎn)生的輻射就會由多個自由運行的輻射源產(chǎn)生。這個方案結(jié)合了兩種獨特技術(shù)：SSM和AEL，使得美信的D類放大器可以在FCC第15部分規(guī)定的EMI限制范圍之內(nèi)，在帶有24英寸長的未屏蔽揚聲器連接線的情況下運行"filter-less"，如圖4所示。
圖5: 美信的D類放大器帶有一個內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒，和一個微分輸入；如果使用一個單端輸入，就會從內(nèi)部產(chǎn)生一個為微分輸入。(點擊放大圖)
除了EMI，音頻的THD+D在功率為1W時可低至0.02%，而在功率為2.3瓦時增至1%，SNR為90dB。輸入可以由一個帶有+6dB, +12dB, +15.6dB或+20dB的固定增益的微分或者單端源來供給，并適用于任何應(yīng)用。另外還有一個可以將功耗最小化的關(guān)閉模式，以及一個同步輸入，讓MAX9705可以提供單聲道、立體聲或者多通道高性能音頻，同時又在帶有外置揚聲器但不需要濾波器的情況下滿足EMI輻射要求。
圖5所示的MAX9511圖形視頻接口給RGB視頻提供了一個匹配的、三通道的可調(diào)EMI濾波器，范圍覆蓋了從VGA到UXGA的分辨率，通道至通道偏移誤差小于0.5ns。另外，它更換了一個單電阻器，從而實現(xiàn)了調(diào)諧功能。
這使得在最終的EMI/EMC測試中，不需要對機械或者電氣部分作出任何更改，就可以改進一個產(chǎn)品的EMI性能。RGB視頻輸出是低阻抗(Zout小于1Ω)，再結(jié)合75Ω的反向終端，可在遠程監(jiān)控器和塢站之間提供一個45到50dB的隔離。以前，要驅(qū)動兩個不同的輸出，這個方法需要進行一次交換，以避免LC濾波器的輸出上會附上一個長的未終止端頭。在圖6中，我們可以看到輸出負載是如何被檢測到，并作為一個DAC終端阻抗上的明顯改變被映射到輸入上的。
圖6: 帶有EMI抑制功能的MAX9511 VGA接口(點擊放大圖)
驅(qū)動RGB輸入的視頻控制器可以感應(yīng)到，同時，如果沒有負載，可以通過關(guān)閉管腳來關(guān)閉視頻和同步輸出。為了支持即插即用式應(yīng)用，DDC會一直處于開啟狀態(tài)，同時，驅(qū)動器可以將低電壓控制器水平轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)的5V的接口水平。同步驅(qū)動器具有一個標(biāo)準(zhǔn)的50 Z的輸出阻抗，可以通過一個單外置電容器來配置以過濾邊緣，如圖7所示，而同步抖動(沒有電容器的情況下)則一般都少于0.5ns。
圖7: 一個MAX9511驅(qū)動多個輸出，帶有由一個MAX5432 I2C可調(diào)節(jié)數(shù)字電位計控制的可調(diào)節(jié)過濾。(點擊放大圖)
視頻性能：增益為+6dB，SNR為50dB，線性誤差為0.036%，過沖和下沖小于1%，帶有抑制良好的響應(yīng)。 |
