来自手机、数字振荡器甚至荧光灯的噪声都会困扰电子设计。应了解这种噪声产生的原因,掌握提高系统的抗射频干扰能力的方法。
要 点
RF源将能量传送进电缆、PCB(印制电路板)走线和IC中。
RF敏感性现象的诊断需要技巧。
最佳技巧是在源头消灭噪声。
屏蔽是一种高成本的权宜之计。
精心布局和良好的系统设计可以提供最好的RFI(射频干扰)防护。
源源不绝的 RF 能量流在吞食着电子系统。这些能量有些来自于系统的附属副产品;或其它 RF 源的偶发辐射能,如无线电与雷达。有些 RF 源相当强大而隐蔽,以致会在普通连线(如构成扬声器音圈的磁性导线)中产生噪声。对于消费者的家庭音响系统来说,噪声顶多是让人感觉讨厌。但 RF 噪声会造成机器功能混乱,使飞机仪表出现故障,从而危及人身安全。因此,欧盟与美国都对供应商在当地销售的产品建立了 RFI(射频干扰)测试。欧盟在十多年前建立了 CE(Conformit Europnne)抗扰度测试,而工程师很快明白了通过 CE 要比通过美国的 FCC(联邦通信委员会)噪声辐射测试难得多。Microchip Technology 公司技术研究工程师 Steve Bible 说:“工程师没把这当回事,后来却真成了他们的麻烦。他们处在一种实时困境中。当他们做了一个不良的设计,就很难让他们相信它是不好的。他们希望找到一种有效的方法能让自己通过测试,可惜世界上还不存在这种方法。”
为使系统具有强大 RFI 抗扰能力,必须了解系统将遭受到多少 RF 源的干扰。电力网在将电能传送到你家中的同时,还会发射 50 Hz 或 60 Hz 的射频波。你的手表有一个辐射能量的 32 kHz 晶振。荧光灯使用的电子镇流器工作在 40 kHz。交通信号灯的闭环传感器会以 50kHz ~ 100kHz 频率工作。在更高频率下,你很快会遇到“恶意辐射源”,FCC将其定义为射频站、电视台,以及各种私用、公用和军用无线电,其中最麻烦的是手机。雷达系统与外来军用系统对频谱的依赖甚至超过了手机。宇宙射线也会产生问题(参考文献 1)。Analog Devices 精密线性产品部系列产品总监 Steve Sockolov 表示,很难帮助客户解决某个 RFI 敏感性问题,因为在一个信号路径中存在着数百个牵扯到一只放大器的通道,还必须关注持续的源频率。为给客户提供精密测量电路的帮助,Analog Devices 开发了 AD8556 传感器信号放大器,它的功能等效于 AD8555 放大器,但在输入脚、基准脚和箝位脚有 EMI(电磁干扰)滤波器。这些滤波器帮助抑制很宽频率范围内的 RFI。

并非所有 RFI 源都需要关注。前面提到的晶振工作在相对较低的频率下,只发射少量功率。还有些频率源可能是问题,也可能无关痛痒。例如,将一支 FET 用作同步降压稳压器中的低端开关。FET 封装的外壳连接到开关节点,并使整个电源电压摆动(图1)。由于该节点工作在电源频率,可能它会辐射 RF 能量,但情况可能并非如此。要辐射 RF 就必须有电流的流动。聪明的设计者会用封装的管脚承载电流,并用封装的翼片吸收电路的热量,这样就可以降低FET温度,尽量减少RF辐射。
解决抗扰问题的一种方法是停止 RF 源。当数十年前汽车工程师在汽车中首次加装收音机时,他们就知道了这种技术(见附文《讨厌的 RF》)。他们很快就懂得,要阻挡收音机的噪声是个多么困难的过程,而在源头清除噪声则是一种有效的方法。工程师在振荡器上增加电容实现这个目标。电容能抑制二极管切换时的尖峰,降低循环电流,从而减少噪声(参考文献 2)。这些技术的应用结合紧凑的布局,可帮助通过 FCC 的辐射测试。采用这些方法亦减少了造成抗扰问题的一个 RFI 来源。

RFI 中的最大问题是一般无法控制污染系统的RF源,如在手机中遇到的射频源,它工作在高频下。这种 RFI 可以深入设计的很多部分:电缆、PCB(印制电路板)走线,甚至 IC 自身。另外,手机已无处不在,它们通常就放在你身边,甚至在你正在工作的设计内。有一些故事会说明这种状况:思科系统公司的一名工程师 Bob Thomas 报告说,他将自己的手机放在自己 2006 年本田车的杂物盘上,手机开机时,辐射到收音机中的噪声要高于收音机的音乐声。思科的另一名工程师 Steve Abe 指出,他把手机放在自己的 Palm Zire PDA 上,当有人呼入时 Zire 会重新启动。FM 发射器制造商 Aerielle 的一名工程师 Francis Lau 称,他家中的立体声音响会在接手机电话时发出嗡嗡声。
要弄清楚为什么手机会成为音频的 RFI 源,我们必须复习一下 RF 传输协议。NADC(北美数字蜂窝)电话系统采用的是 TDMA(时分多址)协议,它会将多个数字传输信道(即语音数据)复用到多个时间槽内。一串六个时间槽组成一个 40 ms 的帧。在一个全速率传输信道中,用户在每个帧内发送两次,即被分给第一个时间槽的用户要在第四个时间槽内再发送一次。由于每帧发送两次,手机会拾取到一个看来像 20 ms、50 Hz 周期的方波(图 2)。