Zigbee的無線傳輸電路的抗電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 Zigbee的無線傳輸電路的抗電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì) 隨著世界上個(gè)電磁兼容性規(guī)范1944年在德國誕生，電磁兼容設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中變得越來越重要。普通的10 kV/630 kW箱式變壓器低頻噪音輻射處的電場(chǎng)輻射一般可達(dá)800 V/m,電磁輻射可達(dá)30 B/T,對(duì)工作在此環(huán)境下的無線傳輸模塊有非常大的影響，因此有必要對(duì)無線傳輸模塊開展抗電磁干擾設(shè)計(jì)。 1 PCB的抗干擾設(shè)計(jì) 1.1 硬件方面的抗電磁干擾設(shè)計(jì) 1）選擇集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件。 2）良好的接地設(shè)計(jì)。對(duì)于工作在2 MHz一下低頻應(yīng)采取共地，即一點(diǎn)接地；對(duì)于工作在10 MHz以上的高頻應(yīng)采用分

2、地，即多點(diǎn)接地。同時(shí)，數(shù)字地和模擬地分開，中間用磁珠連接。對(duì)傳感器信號(hào)地線采用浮空隔離，不與大地相連。將所有閑置的單片機(jī)IO端口，應(yīng)該接地而不是接電源。 3）濾波處理。每個(gè)IC的電源端并聯(lián)一個(gè)高頻電容，減少IC對(duì)電源的影響。 4）PCB的設(shè)計(jì)：布線時(shí)遵循3-W原則，也就是相鄰兩條線路間的中心距離應(yīng)該大于或者等于3倍的線寬。隨著線間距離的增大，同時(shí)也能減少線間的耦合串?dāng)_。按照功能布局，不同模塊接對(duì)應(yīng)的電源。電源和地線盡量的粗，電流方向和信號(hào)線方向相同。晶振盡量靠近單片機(jī)。線路盡量使用45折線而不是90折線。多層板設(shè)計(jì)，將電源層和接地層放在中間層，這樣利于各元器件的迅速接地，抑制共模干擾，有利于抗

3、電磁干擾。 1.2 軟件方面的抗電磁干擾設(shè)計(jì) 1）使用看門狗，MSP430中已經(jīng)集成，遂不贅述。 2）數(shù)據(jù)冗余技術(shù)，在噪聲幅度較大的環(huán)境巾傳輸數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)增加一定的冗余位用于校驗(yàn)，能增加檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力，具有非常明顯的抗干擾效果。 2 電磁干擾仿真軟件介紹 電磁干擾的數(shù)值仿真過程也就是電磁場(chǎng)問題的數(shù)值計(jì)算過程，電磁數(shù)值計(jì)算的任務(wù)是基于麥克斯韋方程組，建立逼近實(shí)際問題的連續(xù)型數(shù)學(xué)模型，然后采用相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，經(jīng)離散化處理，解出模型的數(shù)值解，再經(jīng)處理得出場(chǎng)域中任意點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)，能量，損耗分布，及其他參數(shù)。常見的計(jì)算法方法有時(shí)域有限元法、頻域有限元法，矩量法等，其中矩量法基于Maxwell方程中的

4、積分方程，計(jì)算精度較高；頻域有限元法基于Maxwell方程中的偏微分方程，計(jì)算量較大，其中Ansoft Designer就是基于頻域有限元方法的軟件。 Ansoft Desinger集成了高頻、基于物理原型的電磁建模、仿真及與電路和系統(tǒng)分析的無縫連接環(huán)境，為了獲得S參數(shù)和電流密度J,采用了混合電位積分方程（MPIE Mixed Potential Integral Equation）法和矩量法（MoM Method of Moments）分別計(jì)算之，這樣就能通過電流密度求得S參數(shù)和輻射場(chǎng)。 在Ansoft中，只要三維物體表面網(wǎng)格形成，則可利用混合點(diǎn)位積分方程（MPIE）開展分析： 式中：為垂直

5、于網(wǎng)格平面的單位矢量；j為虛部單位；為角頻率（等于2f）；A表示矢量磁位；為標(biāo)量電位；Zs為單個(gè)網(wǎng)格表面的電阻；J為網(wǎng)格上的電流密度。在混合積分后，使用矩量法（MoM）求解網(wǎng)格上的電流密度J,得到網(wǎng)格邊界限上法向方向的電流，在存儲(chǔ)網(wǎng)格邊界限方向電流分量后，網(wǎng)格內(nèi)部每個(gè)點(diǎn)的電流值可通過網(wǎng)格邊界限法向電流分量差值得到。 3 PCB電磁兼容仿真步驟 3.1 PCB的設(shè)計(jì)、布線及輸出 PCB的設(shè)計(jì)在Prote199SE中開展，先在Protel中繪制原理圖，再經(jīng)過錯(cuò)誤檢查后，生成網(wǎng)絡(luò)圖，然后再開展布線。此PCB板設(shè)計(jì)為4層，底層和頂層都走信號(hào)線，中間兩層分別是地線和電源，底層和頂層所有有接地和接電源的引

6、腳都以短的具體接地和接到電源，保證了信號(hào)完整性及抗電磁干擾性。布線后的電路板如圖1所示。 圖1 布線圖 設(shè)計(jì)好PCB板后，通過輸出功能輸出DXF文件。 3.2 導(dǎo)入Ansoft Designer并生成模型 導(dǎo)入時(shí)，先在Designer中新建一個(gè)PlanarEM項(xiàng)目，這里采用的是系統(tǒng)內(nèi)置的雙面板的模板，為了生成相關(guān)印制板的實(shí)體模型，可以通過Ansoft Designer的Layout菜單中所列的Import file選項(xiàng)，將Protel導(dǎo)出的DXF文件導(dǎo)入到Planar EM項(xiàng)目中來，生成印制板的實(shí)體模型的各層，導(dǎo)入過程中，Protel和Ansoft Designer中設(shè)定的缺省單位要一致，先導(dǎo)

7、入所有的層，再根據(jù)實(shí)際情況修改和調(diào)整PCB上各層的走線。PCB采用的介質(zhì)材料是FR-4,完成上述工作后，整個(gè)印制板的仿真實(shí)體模型可在Ansoft Designer*立。如圖2所示。 圖2 導(dǎo)入Ansoft后的模型 3.3 設(shè)定解析條件 1）首先設(shè)定激勵(lì)（Excitations） 用選擇工具選擇需要添加激勵(lì)的邊緣，然后右鍵單擊選擇Add Port.根據(jù)電路的實(shí)際情況，這里設(shè)定Port1,Port2,Port3,Port4共4個(gè)激勵(lì)源，電流幅度分別為0.1 A、0.2 A、0.1 A、0.3 A. 2）然后設(shè)定分析條件（Analysis） 右鍵單擊添加解析方案設(shè)置（Adding Solution

8、Setup），選定初始化網(wǎng)格為頻率等于60 Hz時(shí)的固定網(wǎng)格（Fixed Mesh），并且在網(wǎng)格精煉標(biāo)簽（Mesh Refinement）中將精煉參數(shù)（Refinement Parameters）設(shè)置為缺省值。在增加的Setup1上右鍵單擊，選中Mesh Overlay和Dynamic Mesh Update,再添加頻率掃描（Adding SweepFrequency），類型選擇離散（Discrete），復(fù)選中生成表面電流（Generate Surface Current），開始頻率為40 Hz,終止頻率為60 Hz,步長2 Hz,一共10個(gè)頻率點(diǎn)。設(shè)定上面所有的條件后，還需要對(duì)設(shè)置開展初步校

9、驗(yàn)，校驗(yàn)完成后即可開始對(duì)PCB實(shí)體模型開展解析。 4 仿真結(jié)果分析 4.1 原始結(jié)果分析 通過在Ansoft Designer中過對(duì)以上10個(gè)頻點(diǎn)的掃描，即可得到了PCB的電流圖和近場(chǎng)分布圖，這里以50 Hz點(diǎn)為例，分析得到的電流圖，E、H近場(chǎng)分布圖開展分析，如圖3、4、5可見，電路中出現(xiàn)4塊場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域，分布在2個(gè)晶振及射頻發(fā)射電路區(qū)域，其中晶振區(qū)域存在著敏感元件，而這部分正好輻射強(qiáng)度較大，這對(duì)于PCB的電磁兼容來說是不合適的。 圖3 50hz電路圖 圖4 50 HzE近揚(yáng)圖 圖5 50 HzH近場(chǎng)圖 針對(duì)上述問題，我們對(duì)PCB開展了重新布線，調(diào)整以上兩塊敏感區(qū)域中元件的位置，縮短晶振到單片機(jī)的距離，使信號(hào)盡可能快的進(jìn)入芯片，平滑彎角，盡量使電感和電容垂直放置，以減少不必要的干擾。 4.2 改良后分析 改良后，再次導(dǎo)入到ansoft Designer中開展分析，得到圖6、7、8,此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，以前輻射區(qū)域較大區(qū)域變小或變形，受影響較大的晶振區(qū)域強(qiáng)度有所下降，對(duì)周圍元件的影響也相應(yīng)減弱，系統(tǒng)的抗電磁干擾能力得到提高。 圖6 改良后50 Hz電路圖 圖7 改良后50 Hz E近場(chǎng)圖 圖8 改良后50