培訓EMCS_MS_XS030925

1、移動臺EMC問題與對策Slide 1 of 692003年9月25日星期四移動臺EMC問題與對策王洪博電信研究院泰爾實驗室E-Mail: Tele: +86 10 62302295Fax: +86 10 62304793http: / 2 of 692003年9月25日星期四以往測試中的常見問題n 靜電放電問題n1.標準規(guī)定（在此不贅述，請參看標準）n2.解決辦法（稍后詳述）n3.評估時的要求（在此不贅述，請參看標準）n 輔助設(shè)備的輻射連續(xù)騷擾n輔助設(shè)備輔助設(shè)備包括沖電器、耳機、座沖及連接在手機之外的設(shè)備。n1.多數(shù)的騷擾來源于輔助設(shè)備，但也不排除來源于手機自身。n2.解決辦法（稍后詳述）n3

2、.相對于輔助設(shè)備接入口發(fā)生變化時從新做RE。n4.相對于輔助設(shè)備接入口發(fā)生變化時同時應(yīng)增加的測試。n 輻射雜散騷擾移動臺EMC問題與對策Slide 3 of 692003年9月25日星期四ESD問題及建議移動臺EMC問題與對策Slide 4 of 692003年9月25日星期四解決電荷注入問題的方法n 解決電荷注入問題的一個方法是在人體和電子器件之間放置一塊絕緣屏障。只要這個屏障不被擊穿，就不會發(fā)生放電。n 另一個方法是在人體與器件之間放置一塊金屬擋板。當然，這個金屬擋板與器件之間必須有良好的絕緣，使它與器件之間不會發(fā)生放電。這時，靜電放電事件是向金屬板注入電荷，而不是器件。n 無論使用哪種屏

3、障，靜電場的問題都不能解決。使用金屬擋板時的不同點是，當放電發(fā)生后，電場是在擋板和器件之間，而不是在人體和器件之間。n 要徹底解決靜電場的問題和電荷注入問題，必須將系統(tǒng)（包括電纜）完全包圍起來，或者將金屬擋板接地。當金屬板與大地連接后，金屬板上的電荷會泄放掉，從而消除靜電場。將系統(tǒng)完全包圍起來的金屬殼體可以保證沒有任何電場到達系統(tǒng)，即使殼體的外表面充滿了電荷也沒有關(guān)系。（這相當于系統(tǒng)中所有的設(shè)備都有金屬外客，電纜也是屏蔽的場合） 移動臺EMC問題與對策Slide 5 of 692003年9月25日星期四解決電荷注入問題的方法n 在前面的靜電放電模型中，放電脈沖中的高頻成分主要是由手、臂和鍵盤的

4、電容產(chǎn)生的放電電流引起的。這些高頻電流是金屬板內(nèi)的電荷再分布電流。另外，在這個模型中，由人體對地電容形成的放電電流主要導致低頻成分，并攜帶了大部分放電能量。這些低頻電流是地通路電流。金屬板上的高頻再分布電流的物理路徑取決于人體和金屬板的位置，并呈現(xiàn)輻射狀，如下面左圖所示。n 人體上的低頻放電電流的路徑是選擇一條電阻最小的路徑直接到地，如下面右圖所示。當然這個描述是近似的，實際情況要更復(fù)雜一些。n 在了解放電電流的路徑和頻率的基礎(chǔ)上，可以分析它們對電子系統(tǒng)性能的影響。在本例中，低頻電流被旁路到地，因此鍵盤和系統(tǒng)的其它部分可以免受這種高能電流的損害。對于設(shè)計而言，防止電荷注入和損壞是最基本的要求。

5、但是，這些電流（特別是高頻電流）產(chǎn)生的場仍然會有嚴重的影響。移動臺EMC問題與對策Slide 6 of 692003年9月25日星期四解決電荷注入問題的方法n 靜電放電的輻射狀電流n 流向地的靜電放電電流移動臺EMC問題與對策Slide 7 of 692003年9月25日星期四解決電荷注入問題的方法n 在分析靜電放電的影響時，還要記住，場不僅對系統(tǒng)內(nèi)的電路會產(chǎn)生直接的影響，而且還會產(chǎn)生間接的影響。這是通過場在導體上感應(yīng)出電流或電壓，然后導體將電流或電壓傳導到場本身達不到的地方產(chǎn)生的。一個典型的例子是場在電纜屏蔽層上感應(yīng)出電流。如果電纜屏蔽層沒有良好端接，感應(yīng)電流會穿進本來屏蔽良好的機殼。這時，

6、盡管原始的場不能穿透機殼，但通過電纜上的感應(yīng)電流，場還是會對機殼內(nèi)的電路造成影響。n 另一個需要注意的問題是共模噪聲會轉(zhuǎn)化為差模噪聲。這一點很重要。因為如果共模噪聲在整個系統(tǒng)中都保持共模形態(tài)，則對系統(tǒng)的實際影響很小。不幸的是，由于幅度、相位和頻率成分的變化不同，原始的共模噪聲總是會在系統(tǒng)的某一點變?yōu)椴钅Ｔ肼?。例如，如果電纜中每一條線端接方式不是完全相同，電纜上的共模噪聲會在電路輸入端變?yōu)椴钅Ｔ肼暋?移動臺EMC問題與對策Slide 8 of 692003年9月25日星期四固件和軟件設(shè)計n 在對付靜電放電方面，除了眾所周知的硬件方法以外，固件和軟件也起著重要的作用。n 雖然固件設(shè)計不能防止系統(tǒng)中

7、器件的損壞，但是能夠有效地避免一些非永久性的損壞。通過適當寫入的固件，不可恢復(fù)的設(shè)備故障（死鎖）通?？梢员苊猓苫謴?fù)的故障也可以減少10倍。n 如同硬件上的靜電放電措施一樣，抗靜電放電的固件也是有代價的。通常，程序會更大一些，這意味著需要更長的編程時間和存儲單元。權(quán)衡得失時，要將這種代價與單純依靠硬件解決靜電放電問題時的成本做對比。在許多微處理器的應(yīng)用中，固件措施的成本要比硬件低。n 在編寫靜電放電抗擾性強的固件時一定要樹立的的一個觀念是“不確定性”。也就是，一定不能認為端口、寄存器等的狀態(tài)是一定的。例如，當使用一個索引寄存器時，應(yīng)該問一下，如果這個索引發(fā)生錯誤時，會發(fā)生什么問題。如果僅是僅發(fā)

8、生一些暫時的或無關(guān)緊要的問題，如發(fā)光二極管閃爍，則不需要什么特殊的處理。如果會發(fā)生很嚴重的問題，例如系統(tǒng)發(fā)生死鎖，則必須采取措施來避免問題的發(fā)生。n 固件（軟件）靜電放電措施可以分為兩類：n 刷新n 檢驗和重新寫入 移動臺EMC問題與對策Slide 9 of 692003年9月25日星期四刷新n 進行刷新時，程序員不關(guān)心過去的情況，而僅是用確定的數(shù)據(jù)來保證今后的狀態(tài)。n 當端口用于串行數(shù)據(jù)輸出時，刷新停止位的電平。n 刷新鎖存器和端口輸出狀態(tài)。n 定期讀取控制和選擇輸入，保證系統(tǒng)工作在適當狀態(tài)。n 在進行刷新時，另一個需要考慮的因素是刷新的順序。有時，刷新的順序十分重要。例如，在同步輸入/輸出

9、中，數(shù)據(jù)線一定要在時鐘線之前刷新。否則，經(jīng)過刷新的時鐘會使數(shù)據(jù)位丟失。如前所述，一定要考慮在錯誤條件下每條指令的順序。 移動臺EMC問題與對策Slide 10 of 692003年9月25日星期四檢驗和復(fù)位n 有時，單純刷新還是不夠的。在有些情況下，刷新甚至會掩蓋一些嚴重的問題。在這些情況下，寄存器、端口等需要通過檢驗來確認其狀態(tài)。如果狀態(tài)不對，程序應(yīng)該試圖對其進行更正。n 進行復(fù)位（或初始化）時一定要非常謹慎。雖然系統(tǒng)的狀態(tài)可能有疑問，但是將系統(tǒng)徹底初始化并不是一個好方法。這會丟失所有過去的數(shù)據(jù)。應(yīng)該遵守的原則是，使系統(tǒng)處于最可能的狀態(tài)，而這個狀態(tài)應(yīng)該使問題的危害最小。如果有些關(guān)鍵的項目沒有

10、最可能的狀態(tài)，則應(yīng)該將其狀態(tài)保留起來。這便于以后采用投票的方式來確定當前狀態(tài)。通常，“3取2”的投票方式就可以了。n 檢驗函數(shù)通?？梢苑譃?類。特別要做以下檢驗，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，需要初始化。 移動臺EMC問題與對策Slide 11 of 692003年9月25日星期四A) 檢驗程序流是否正確n 在主程序中，在子程序返回前，要定期檢驗子程序堆棧指針，以確認子程序在預(yù)定的范圍內(nèi)運行。n 如果不檢查堆棧指針（或在檢查堆棧指針的基礎(chǔ)上），可以使用“標牌”來幫助發(fā)現(xiàn)程序運行中的問題。當進入一個子程序時，保存標牌，當離開子程序時，檢查這個標牌。n 在禁用區(qū)域中安排“陷阱”碼，例如編碼表或無用的中斷矢量。當程

11、序要執(zhí)行這些碼時，就被抓?。ɡ缭谖词褂玫谋砀裰邪才欧祷刂噶睿?。n 為了檢查程序流是否正常，在程序中還應(yīng)該包含以下兩個子程序：n 為了確認主程序運行正常，應(yīng)該有一個永遠不會停止和失效的計時程序。n 主程序應(yīng)定時檢查上面的定時程序，確認其是否運行正常（如果微處理器沒有內(nèi)置的計時器，可以使用外置的硬件“看門狗”電路。當處理器沒有按時將計時器復(fù)位時，外置電路會將處理器復(fù)位）。 移動臺EMC問題與對策Slide 12 of 692003年9月25日星期四B) 檢驗存儲的數(shù)據(jù)和信息是否正確n 定期對保留的項目進行表決，如果沒有一致性，進行初始化。特別，狀態(tài)標志（特別是使能標志）要保留有備份。除了備份以外

12、，還可以使用糾錯碼。n 對于索引和其它一些十分重要的寄存器，在使用其所存儲的數(shù)據(jù)之前，要對其數(shù)值或范圍先進行檢查。n 如果關(guān)鍵數(shù)據(jù)很多而不適合備份，或者無法檢驗所有信息時，可以用檢驗和或周期性冗余檢驗（CRC）來對數(shù)據(jù)塊檢驗。移動臺EMC問題與對策Slide 13 of 692003年9月25日星期四C) 對輸入和輸出進行檢驗n 利用各種方法，如奇偶校驗、檢驗和等，對輸入進行檢驗。n 確認輸入數(shù)據(jù)的合理性，有些數(shù)據(jù)可能有明顯的錯誤。 n 對所有輸入級電平至少取樣兩次以實現(xiàn)對噪聲的“軟件濾波”。n 通過使接收機響應(yīng)輸出級來進行校驗輸出端。n 接收裝置應(yīng)能識別所有有效的輸入信號，如果接收裝置不能識

13、別，那么發(fā)送裝置應(yīng)具有再傳輸能力。 移動臺EMC問題與對策Slide 14 of 692003年9月25日星期四如果以上措施均不能正確檢查，則要求能自動恢復(fù)n 這種恢復(fù)能力通常不能與加電（或硬件）復(fù)位過程中的初始化程序不同，RAM不應(yīng)清除掉。實際上，由于靜電放電（ESD）而使錯誤程序反向復(fù)位時，執(zhí)行硬件初始化程序不應(yīng)妨礙處理器的工作。這通?？梢酝ㄟ^檢查執(zhí)行硬件復(fù)位程序的標志寄存器的優(yōu)先級來完成。如果已經(jīng)設(shè)定標志，則應(yīng)避免完全復(fù)位。當主程序執(zhí)行時，此標將被重新設(shè)定，一般僅被處理器的實際硬件復(fù)位所清除。特別地，通常應(yīng)按以下步驟來完成復(fù)位：n 復(fù)位子程序堆棧指針。n 復(fù)位FIFO指針。n 復(fù)位計數(shù)器

14、。n 阻止可疑碼的傳輸。n 在復(fù)位完成時才允許中斷，然后再重新啟動計數(shù)器。n 復(fù)位中斷不確定的標志n 刷新輸出。n 如果主機系統(tǒng)接受復(fù)位，最好使其發(fā)磅一代碼以通知復(fù)位已完成。那么，主機就可以采取措施來確保系統(tǒng)的所有部分都諧調(diào)一致地工作。n 當然，復(fù)位程序必須清除引起復(fù)位動作的具體問題。移動臺EMC問題與對策Slide 15 of 692003年9月25日星期四ESD的硬件解決 n 靜電放電效應(yīng)劃分成以下三個部分：n 靜電放電之前靜電場的效應(yīng)n 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)n 靜電放電電流產(chǎn)生的場效應(yīng)n 盡管PCB的設(shè)計會對上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。下面的討論將針對第三條

15、所述的問題給出設(shè)計指南。n 通常，源與接收電路之間的場耦合可以通過下列方式之一減小n 在源端使用濾波器以衰減信號n 在接收端使用濾波器以衰減信號n 增加距離以減小耦合n 降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合n 采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB板所提供的）耦合信號，使它們保持共模方式移動臺EMC問題與對策Slide 16 of 692003年9月25日星期四保持環(huán)路面積最小n任意一個電路回路中有變化的磁通量穿過時，將會在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗的困難之處是如何找到環(huán)路。

16、移動臺EMC問題與對策Slide 17 of 692003年9月25日星期四使導線長度盡量短n 較長的導線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的更多的頻率成份；而較短的導線只能接收較少的頻率成分。因此，短導線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場中接收并饋入電路的能量較少。使導線盡可能短是一個比是環(huán)路面積盡量小更容易實現(xiàn)的措施。因為它不象信號環(huán)路那樣不容易識別，環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導線的長短則是很顯然的。有關(guān)設(shè)計步驟如下：n a) 使所有元件緊靠在一起，PCB設(shè)計人員不應(yīng)將元件過于分散而占用更多的面積；n b) 在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O器件是與I/O連接

17、器盡量靠得近些；n c) 如有可能的話，從線路板的中心饋送電源或信號，而不要從線路板邊緣饋送，如圖27所示，中間的饋送信號使大多數(shù)元件的連線最短。當線路板為正方形時，這樣做的效果最明顯，當線路板狹長時，效果則不很明顯。但只要可能，還是應(yīng)該盡量這樣做。移動臺EMC問題與對策Slide 18 of 692003年9月25日星期四盡可能在PCB上使用完整的地線面（建議采用多層板）n 地線面作為一個重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減小靜電場帶來的問題。n PCB地線面也可作為其對面信號線的屏蔽體（當然，地線面的開口越大，其屏蔽效能就越低）。n 另外，如果發(fā)生放電，由于PCB板的地平面很

18、大，電荷很容易注入到地線面中，而不是進入到信號線中。這樣將有利于對元件進行保護，因為在引起元件損壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞器件，應(yīng)采取措施加以避免）移動臺EMC問題與對策Slide 19 of 692003年9月25日星期四加強電源線和地線之間的電容耦合n 電源線與地線間的耦合通過兩種方式來實現(xiàn)。nA、 使電源線與地線靠得很近，或采用多層PCB板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生更多的寄生電容。nB、 在電源線與地線之間接入高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場合）。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問題。兩個物體之間由各個物體上電荷量的差異

19、造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果X庫侖的電荷注入到電源線中，就會在電源線和地線間產(chǎn)生Y伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X庫侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2伏的電壓。當然，這個較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。 移動臺EMC問題與對策Slide 20 of 692003年9月25日星期四隔離電子元件與靜電放電電荷源n 在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過隔離來解決。對于PCB設(shè)計，這主要指將電子儀器與可能的電荷源隔離開，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號線相隔離?？刹扇∫韵聝蓚€步驟來進行隔離：nA、 使電子元件與PCB走線遠離會暴露在靜電放電中的

20、PCB部分（例如，操作人員可直接觸摸到的地方）。nB、 使電子元件和PCB走線遠離會暴露在靜電放電中的任意一個金屬物體（包括螺釘、機架、連接器外殼等）。后一個要求小于下面的設(shè)計規(guī)則相關(guān)聯(lián)。 移動臺EMC問題與對策Slide 21 of 692003年9月25日星期四PCB上的機殼地線的阻抗要低，隔離要好n 盡管PCB軌線上的阻焊層有利于隔離PCB走線，但阻焊層可能會導致插針孔發(fā)生電弧。nA、 隔離機殼地線的最好方法是使之遠離電子儀器。另外，如果機殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過，就不會發(fā)生電弧。當然，如此迅速的電荷泄放會產(chǎn)生更強的場，但這比電荷通過電弧直接注入到電路中好得多。nB、 機殼

21、地線的長度不能超過其寬度的四或五倍。比這個比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會使其阻抗大幅度增加。這個長寬比例意味著機殼地線必須很短才行，否則當?shù)鼐€增長時，其寬度要很寬。 移動臺EMC問題與對策Slide 22 of 692003年9月25日星期四ESD常見問題與改進移動臺EMC問題與對策Slide 23 of 692003年9月25日星期四移動臺EMC問題與對策Slide 24 of 692003年9月25日星期四電纜上的ESD防護移動臺EMC問題與對策Slide 25 of 692003年9月25日星期四鍵盤與控制面板的設(shè)計移動臺EMC問題與對策Slide 26

22、of 692003年9月25日星期四輻射雜散騷擾問題及解決移動臺EMC問題與對策Slide 27 of 692003年9月25日星期四輻射雜散騷擾問題n 輻射雜散騷擾既有通過天線輻射出來的，也有通過機殼泄露出來的。n 通過機殼泄露的輻射雜散騷擾問題的解決基本上與輻射連續(xù)騷擾問題的解決方法類似。n 根據(jù)測量結(jié)果分析產(chǎn)生雜散輻射的根源n曾經(jīng)有一個CDMA的固定臺，在2100 MHz時輻射雜散較大，經(jīng)過分析斷定這是機殼內(nèi)700 MHz的本振引起并從機殼輻射出來的。n一方面，批量器件中只是個別射頻器件性能失效，通過更換器件得以解決。n另一方面，如果此型號的器件輻射大，可以通過改善機殼的屏蔽來解決。n

23、下面介紹一種“閃爍天線”對諧波的抑制效果。移動臺EMC問題與對策Slide 28 of 692003年9月25日星期四手機天線設(shè)計考慮n 移動環(huán)境中天線性能的計算n 天線性能的計算n 天線的平均有效增益計算n 輻射接收靈敏度n 天線設(shè)計中的人體輻射安全考慮n 天線結(jié)構(gòu)與形式n外置式：波長鞭狀、波長伸縮式（振子螺旋天線組合）、螺旋n內(nèi)藏式：微帶縫隙、微帶貼片、介質(zhì)、背腔式、鐵氧體式移動臺EMC問題與對策Slide 29 of 692003年9月25日星期四關(guān)于匹配n良好的匹配有助于減小射頻信號與PCB的耦合，從而減小通過機殼泄漏的輻射雜散騷擾。n由于VSWR（電壓駐波比）與Gain（增益）不是絕

24、對關(guān)系，到底匹配如何才既不會影響ERP，又使基頻的近場輻射即SAR小呢？移動臺EMC問題與對策Slide 30 of 692003年9月25日星期四移動臺EMC問題與對策Slide 31 of 692003年9月25日星期四移動臺EMC問題與對策Slide 32 of 692003年9月25日星期四Idle狀態(tài)LNA對輻射雜散的貢獻n 在設(shè)計高性能CDMA接收機中，最為苛刻的部分應(yīng)屬于低噪聲放大器（LNA），當接收靈敏度為-104 dBm、IIP3（雙音三階互調(diào)失真截距點）為幾個+dBm，則要求LNA噪聲系數(shù)小于2dB才能獲得批量生產(chǎn)時達到2-3dB，這就是說，LNA要有最大的動態(tài)范圍。為使L

25、NA具有幾個+dBm 、IIP3(+3+5dBm)，而滿足低的噪聲系數(shù)( 2dB)，所需要的電流消耗就是幾十mA20mA)。n 由此可見，同時實現(xiàn)低功耗、高線性度以及低噪聲設(shè)計是CDMA LNA的技術(shù)關(guān)鍵。當接收信號強度高時（-30-20dBm），混頻器對接收通道是一個關(guān)鍵門檻，所以還要求LNA具有15dB的增益動態(tài)范圍。移動臺EMC問題與對策Slide 33 of 692003年9月25日星期四采用適當?shù)奶炀€且匹配狀態(tài)良好n 三種“閃爍天線”（閃爍天線：將諧波頻率上的電磁波能量轉(zhuǎn)化為光）的比較。顯然“Original”天線有利于抑制諧波。移動臺EMC問題與對策Slide 34 of 6920

26、03年9月25日星期四移動臺EMC問題與對策Slide 35 of 692003年9月25日星期四線路板的輻射機理移動臺EMC問題與對策Slide 36 of 692003年9月25日星期四電流環(huán)路產(chǎn)生的輻射移動臺EMC問題與對策Slide 37 of 692003年9月25日星期四導線的輻射移動臺EMC問題與對策Slide 38 of 692003年9月25日星期四實際電路的輻射移動臺EMC問題與對策Slide 39 of 692003年9月25日星期四如何減小差模輻射移動臺EMC問題與對策Slide 40 of 692003年9月25日星期四電路中的強輻射信號移動臺EMC問題與對策Slid

27、e 41 of 692003年9月25日星期四隨便設(shè)置的地線不一定有用移動臺EMC問題與對策Slide 42 of 692003年9月25日星期四地線面上縫隙的影響移動臺EMC問題與對策Slide 43 of 692003年9月25日星期四線路板邊緣的一些問題移動臺EMC問題與對策Slide 44 of 692003年9月25日星期四扁平電纜的使用移動臺EMC問題與對策Slide 45 of 692003年9月25日星期四外接電纜的共模輻射移動臺EMC問題與對策Slide 46 of 692003年9月25日星期四兩端設(shè)備都接地的情況移動臺EMC問題與對策Slide 47 of 692003年9月25日星期四懸浮電纜移動臺EMC問題與對策Slide 48 of 692003年9月25日星期四共模電流的測量移動臺EMC問題與對策Slide 49 of 692003年9月25日星期四怎樣減小共模輻射移動臺EMC問題與對策Slide 50 of