音頻/視頻接口的EMI/EMC抑制

引言

　　全球銷售的所有電子產(chǎn)品在上市之前必須進(jìn)行EMI/EMC測(cè)試，證明它們不會(huì)產(chǎn)生干擾，或不會(huì)受到其他設(shè)備的干擾。出于測(cè)試目的，可將這些產(chǎn)品分成兩類：主動(dòng)輻射產(chǎn)品和非主動(dòng)輻射產(chǎn)品，例如，蜂窩電話和對(duì)講機(jī)主動(dòng)輻射能量，而電視、電腦和膝上型電腦則不應(yīng)該輻射能量。

　　產(chǎn)品的種類和測(cè)試機(jī)構(gòu)不同，EMI/EMC的測(cè)試要求也不同。但還是可以將EMI/EMC測(cè)試大致分為兩類：

• 輻射：該測(cè)試限定了某產(chǎn)品輻射或傳導(dǎo)的信號(hào)幅度和頻率，從而使其不會(huì)對(duì)其它產(chǎn)品產(chǎn)生干擾。
• 敏感度(也稱為抗擾度)：該測(cè)試通過限定會(huì)干擾設(shè)備正常工作的輻射和傳導(dǎo)信號(hào)的幅度和頻率，說明產(chǎn)品的輻射抑制能力。

　　如上所述，EMI可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。由于所有的EMI輻射都是由電流產(chǎn)生的，因此這兩種干擾彼此相關(guān)。但并不是所有的電流都會(huì)產(chǎn)生輻射。因此，首先要分析和抑制輻射干擾問題，然后再處理傳導(dǎo)干擾問題。對(duì)于這兩種干擾來說，輻射干擾更難預(yù)測(cè)和抑制。因此它是造成大多數(shù)非主動(dòng)輻射產(chǎn)品EMI測(cè)試失敗的主要原因。在此，我們將著重討論如何解決眾多產(chǎn)品中普遍存在的音頻/視頻接口的輻射干擾問題。

　　可以采用多種方法來滿足EMI/EMC規(guī)則中所限定的條件。但這些方法大都可以歸入屏蔽和濾波兩大類。在實(shí)際產(chǎn)品中，這些方法都要與特定的應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全面的EMI解決方案。例如，在大多數(shù)產(chǎn)品中，都會(huì)用一個(gè)金屬殼體來屏蔽輻射，同時(shí)利用L-C或R-C濾波器來降低輸入/輸出線的傳導(dǎo)干擾。此外，還可以使用一個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘來擴(kuò)展頻譜范圍，以降低特定應(yīng)用的濾波或屏蔽要求。

　　當(dāng)產(chǎn)品的EMI性能基本達(dá)到要求時(shí)，都會(huì)被拿到認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行正規(guī)測(cè)試。如果產(chǎn)品通過了測(cè)試，就可以投放市場(chǎng)；而不能通過測(cè)試就意味著存在問題。解決問題時(shí)，即使一個(gè)小小的改動(dòng)也要花費(fèi)很長時(shí)間。這樣就可能耽誤產(chǎn)品的上市時(shí)間，因?yàn)閲H和國內(nèi)市場(chǎng)都要求產(chǎn)品必須通過EMI/EMC兼容性測(cè)試1。這樣一來，EMI設(shè)計(jì)常常要犧牲產(chǎn)品的視頻性能，以確保其通過測(cè)試。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，需要考慮通過EMI測(cè)試所需要的元器件的物理尺寸和成本，因此更會(huì)以犧牲視頻性能作為代價(jià)。

　　現(xiàn)代音頻/視頻模擬接口的尺寸不斷減小，而性能期望值卻很高，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要解決這一問題，首先要找出大多數(shù)EMI/EMC測(cè)試失敗的源頭；然后再探究可行的解決方案。

測(cè)試失敗的源頭

　　EMI/EMC測(cè)試失敗通常發(fā)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最薄弱的環(huán)節(jié)―信號(hào)(和干擾)從這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)入或離開經(jīng)過屏蔽和濾波的機(jī)構(gòu)。在音頻/視頻接口中，最薄弱的地方就是連接設(shè)備的電纜，它們相當(dāng)于天線。對(duì)于電腦來說，將顯示器和揚(yáng)聲器連接至PC的電纜是最薄弱的環(huán)節(jié)，它常常會(huì)引起EMI/EMC問題。我們可能會(huì)認(rèn)為只有高帶寬的視頻接口才會(huì)產(chǎn)生這種問題，而低頻音頻接口不會(huì)有這種問題。所有放大器都采用A類音頻放大器時(shí)確實(shí)是這樣。然而，目前所采用的高效D類放大器²都具有高頻開關(guān)信號(hào)，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波和屏蔽，也會(huì)存在EMI問題。

　　過去，可以采用大型外部濾波器和/或屏蔽電纜來解決這些問題。但是這些方法不僅增加了成本，而且還影響了產(chǎn)品性能和增大了產(chǎn)品尺寸。隨著這些產(chǎn)品的尺寸不斷縮小，演變?yōu)楫?dāng)前的音頻/視頻播放器，EMI/EMC解決方案必須在保持甚至改善系統(tǒng)性能的同時(shí)減小產(chǎn)品尺寸。為實(shí)現(xiàn)這一目的，開發(fā)出了諸如MAX9511圖形視頻接口和MAX9705 D類音頻放大器等小型器件，這些器件能夠提供優(yōu)異的EMI性能。為了展示這種改進(jìn)是如何實(shí)現(xiàn)的，可以考察一臺(tái)普通PC的音頻和顯示器接口³，以及這些纖巧的器件所提供的EMI性能。首先，我們應(yīng)該了解音頻/視頻接口設(shè)計(jì)中必須解決的各種EMI問題，然后給出解決這些問題的方法。

視頻和EMI

　　計(jì)算機(jī)普遍采用的視頻格式，也就是我們所說的“圖形”，和電視的視頻形式是不一樣的4。計(jì)算機(jī)視頻具有紅、綠和藍(lán)色(R, G, B)模擬視頻信號(hào)，以及包括行、場(chǎng)同步和DDC⁵組成的邏輯信號(hào)，所有這些信號(hào)都具有快速上升/下降時(shí)間。視頻連接器通常采用高密度超微D型連接器，用來連接顯示器和PC (圖1)。雖然這個(gè)方案結(jié)合了視頻信號(hào)屏蔽(同軸)和共模扼流圈(CMC)等措施來降低輻射和傳導(dǎo)EMI，但還是需要增加濾波環(huán)節(jié)，才能夠確保滿足EMI要求。在廣播視頻應(yīng)用中，采用類似的濾波措施來消除電視圖像中的混疊瑕疵。然而在圖形視頻中卻不能這么做，因?yàn)閳D形視頻的目的是在盡可能高的分辨率下重現(xiàn)“開”“關(guān)”像素的棋盤狀圖案。因此，為實(shí)現(xiàn)最佳的顯示性能，我們希望帶寬越大越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，必須權(quán)衡考慮EMI和視頻性能，因此只好犧牲視頻帶寬。對(duì)于多信號(hào)視頻接口，多種因素需要權(quán)衡考慮。

圖1. 典型的VGA連接方式以及產(chǎn)生輻射EMI的視頻信號(hào)

　　例如，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，而如果各視頻通道(R、G和B)的延遲時(shí)間不能精密匹配，就會(huì)產(chǎn)生彩色邊緣效應(yīng)。為了避免這一現(xiàn)象，必須精密控制視頻通道的群延遲和群延遲匹配⁶。RGB視頻極容易受到這些參數(shù)的影響⁷。若要獲得最佳性能，群延遲必須與頻率保持一致，通道之間的最小群延遲匹配必須保持在±0.5個(gè)像素時(shí)間之內(nèi)。如果匹配能如此精密，那么同步信號(hào)也必須跟蹤通道延遲，從而正確地顯示圖像幀。做到了這一點(diǎn)后，還需要解決PC支持的多視頻分辨率問題。

　　在此應(yīng)用中，采用固定頻率濾波器實(shí)現(xiàn)最佳性能是非常困難的。如果我們?cè)O(shè)計(jì)一款濾波器來抑制最低分辨率情況下的EMI，濾波器的阻帶會(huì)介入較高分辨率格式的信號(hào)帶寬內(nèi)，從而影響較高分辨率的視頻性能。如果針對(duì)最高分辨率格式設(shè)計(jì)濾波器，就可能滿足不了EMI要求。顯然，最佳的解決方案就是采用一個(gè)頻率響應(yīng)能夠跟蹤顯示分辨率的“可調(diào)”濾波器，但這種方法會(huì)增加成本，而且還可能增大產(chǎn)品尺寸。另外，同步和DDC驅(qū)動(dòng)器的快速上升/下降時(shí)間對(duì)EMI性能的影響也很重要。因此，在任何一個(gè)完整的EMI方案中，都必須包括能延緩這些上升/下降時(shí)間的方法。還有一些歷史遺留問題，諸如為了滿足即插即用要求的視頻DAC負(fù)載檢測(cè)功能。

　　MAX95118可以實(shí)現(xiàn)所有這些功能。如圖2所示，分別給出了高分辨率圖形卡輸出采用MAX9511，采用L-C濾波器方案，以及無濾波原始輸出的EMI特性。

圖2. 三種情況下輻射的EMI: a) 無濾波，b) 采用無源LC濾波器，c) 采用MAX9511

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