2023 04月22日
作者: 小白哥
  • 浏览: 222
  • 收藏:0
  • 点赞:1
手机EMI案例(一)

1.辐射干扰

辐射发射是以空间耦合的方式向外辐射电磁波。手机中的辐射发射可从两方面来描述:手机发射的大功率信号干扰其他电路和其他应用电路干扰手机的接收灵敏度。

1.1手机发射的大功率信号干扰其他电路

当手机处于通话中时,其天线处在工作状态,必须发射功率和基站通信。此时,手机上的其他应用电路处在发射天线的近场区,感应场有可能对这些应用电路发生作用,使其性能降低或产生故障。所以,对曾经遇到过的案例进行分析如下。

当手机工作在发射状态时,从手机天线发射出来的功率很大,比如在GSM900频段,最大功率可能在30dbm左右,如果手机上的其他电路处理不好的话,很可能就会被干扰。

案例一:在打电话时,LCD上会出现横条水波纹,水波纹之间的距离大约1/4屏高,打通电话以后水波纹渐渐消失或不明显。

将手机的频段设为1800MHz并以最大功率打电话,没有水波纹出现;而频段设为900MHz时,水波纹较明显。并且不加天线时,也没有水波纹出现。

因此,可判定是从天线发射出来的射频信号通过空间耦合到LCD而产生的。

首先,我们想到的是降低手机的发射功率,LCD受到的干扰减小,水波纹不明显。但是,手机的发射功率是硬性指标,3GPP规范有进行规定,所以这个措施是不可取的。

其次,LCD受干扰出现水波纹,是LCD的抗干扰能力差,可以让LCD厂对FPC上的走线进行优化。但是,LCD模组通常情况下是通用的,如果单独为这个项目进行定制,势必会增加成本,在可以利用其他方法解决问题的情况下,显然也是不可取的。

第三,可以对主板上LCD的地址线和信号线进行优化处理,尽量用地线或地平面将其保护起来,增强这些地址线和信号线到达LCD模组FPC端的信号质量,增强抗干扰能力。但是,这样会增加项目的开发时间,在对项目开发进度要求苛刻的现今时代,显然,这个方法不是最好的解决方法。

第四,在项目设计时,为了防静电需要,在LCD模组正下方的主板上面留有露铜区域。另外,为了接地需要,屏厂在LCD的模组上装有铁框,如下图所示。因此,通过导电布把LCD模组的铁框和主板的露铜区域很好的连接起来,即将LCD模组和主板的地充分连接起来,将杂波导到地上,水波纹便消失。一方面,导电布是很便宜的,另一方面,主板上的露铜区域是本来就有的,无须进行改板,还有在生产时这种操作很容易实现。因此,这种方案是经济有效的且快速的解决方案。

1.jpg

下图表示了案例一中的干扰源、干扰路径和被干扰源,通过提高被干扰源LCD的抗干扰能力将问题解决。

2.jpg

案例二:出现 SIM卡掉卡现象,具体现象为用户在使用时,出现“请插入SIM卡”的提示,实验室的现象为,耦合状态下,相位误差和频率误差变大。

在实验室测得的耦合状态下的相位误差和频率误差指标如下图。然而,针对用户反映的掉卡现象,是偶发现象,很难复现。对于此类问题,可以采用反向思维的方式,将实验条件恶化,找出复现现象的规律,确定被干扰源,再对症下药。对于此案例,用漆包线将SIM卡的可疑信号引出来,并靠近天线,这种情况下,将手机开机搜网测试,掉卡现象很容易复现,概率有90%之多。

3.jpg

因此,得出原因有两个:一是在堆叠的时候,SIM卡的卡槽离天线很近,所以容易受到天线辐射出来的强功率的影响,如下图;二是 SIM卡信号在PCB布线时走在了表层,这样更易受到从天线辐射出来的强信号的干扰。

4.jpg

针对原因一,如果已经到了项目调试阶段,再对堆叠方案进行调整,似乎有点亡羊补牢,为时已晚了。

那么,我们可以思考一下,在不改变堆叠的情况下,还有什么补救措施。第一,降低手机的发射功率,同样,手机的发射功率是硬性指标,3GPP规范有进行规定,这个措施不可取。

第二,对布线进行调整,将SIM卡相关信号埋进内层,掉卡现象消失。将SIM卡相关信号埋进内层,通过上下地平面来保护,这样就避免了从手机天线辐射出来的强信号的干扰。下图为最初的信号走线图。

5.jpg

下图为改进后的信号走线图。

6.jpg

并且实验室测试的指标也正常了,如下图所示。

7.jpg

因为SIM卡对手机来说是很关键的一个部件,如果用户在使用过程中,在某些特殊情况下,遇到“请输入SIM 卡”的提示,往往给用户很不好的感觉,投诉率会大大提升。因此,稍微花点时间对项目进行改板,来彻底解决这个问题,是很有必要的。所以,这个方案是从根本上来解决这个问题,是必要且可行的。

因此,在项目设计过程中,格外关注那些敏感电路以及关键部件的走线,有意识的进行保护,增强其抗干扰能力,能够减少这类现象的发生,如打电话时LCD出现水波纹,手机使用过程中出现“请输入SIM卡”的提示,等等。

1.2其他应用电路干扰手机的接收灵敏度

由单极天线原理可以知道,有限长度的偶极子可以认为是由一系列无穷小偶极子组成,同样,有限长度的单极天线也可认为是由一系列无穷小的单极天组成。那么,电路上的一段引线可认为是由许多无穷小的引线组成,即由许多无穷小的单极天线组成,特别是引线上流动着高频电流的时候,引线将和天线一样辐射出电磁波,这就是天线效应。如果不期望的这些电磁波辐射的频率落在了手机的接收频段内,将恶化手机的接收灵敏度指标。

比如,案例三:耦合状态下,RF接收灵敏度恶化了20dB左右。具体表现为:在GSM850(ch240至ch251)和GSM900(ch975至ch10)频段,耦合灵敏度被严重干扰,降低了20dB。

这个案例的干扰源为LCD的一根信号线RS信号,它产生的噪声频率落在了GSM的部分接收频段内,这些噪声通过空间耦合的方式恶化了GSM的接收指标。

首先,我们可以不断优化手机的接收灵敏度指标,性能优良的传导灵敏度是取得性能优良的耦合接收灵敏度的基础。传导灵敏度是由源端的噪声功率、噪声系数、输出端的信噪比等条件共同决定的。可有公式得出:

8.jpg

式中,K=1.38×10-23J/K,为波尔兹曼常数;

B为带宽,在GSM系统中,B=200KHz;

T是温度,即常温,T=290K;

NF为噪声系数,一般为4~5dB;

SNR为信噪比,一般由解调器决定,数值在9dB左右。

这样计算下来,GSM 手机的传导灵敏度最小可以做到-108dBm~-109dBm。而实际上,该项目的传导灵敏度也确实做到了-108dBm~-109dBm,所以传导灵敏度已经做到了最好,已没有可以优化的空间了。

第二,可以考虑优化天线性能。在GSM850(ch240至ch251)和GSM900(ch975至ch10)频段,是否是天线本身的性能不好而接收指标差。将LCD工作和LCD不工作(没有相关信号输出)时两种情况下的耦合灵敏度指标进行比较,便可得知。LCD不工作时的所有频段的耦合灵敏度在-103dBm~-104.5dBm 之间浮动,而LCD工作时,GSM850(ch240至ch251)和GSM900(ch975至ch10)频段的耦合灵敏度指标在-85dBm~-90dBm 之间,很显然,是由干扰源干扰了耦合灵敏度指标,并非天线性能不好所致。

第三,找出干扰源。那么,如何确定干扰源呢?在测试的过程中发现,当LCD完全暗掉以后,还是存在干扰,因此排除了背光芯片的干扰。通过第二步的实验可知,当LCD模组完全没有信号输出,没有干扰现象;当LCD模组有信号输出时,有干扰现象,说明干扰源在LCD模组。通过将LCD的数据线、读写线、地址线分别接地测试,用排除法找到了干扰源。即LCD的一根信号线RS信号。既然是LCD的RS信号线产生的干扰,同样,可以要求屏厂对LCD模组上的信号优化处理,还可以对主板进行改板来优化LCD RS信号线的保护程度,但是这两种方案都会带来成本的增加以及开发时间的延长。

最后的解决方案是,在靠近CPU的位置,LCD RS信号线的输出处并联一电容,使LCD的RS信号线一从CPU输出就通过并联电容将噪声导到地上,避免了噪声在经过引线到达LCD的过程中通过空间辐射出来。

这个案例的干扰源是LCD的一根信号线RS信号,它是data和command的切换信号,对LCD的控制IC进行初始化,即下指令command时切换到高电平,对LCD传送显示数据时切换到低电平,这样高低电平不停的切换,就会产生噪声。

在现在的数字电路中,以CMOS工艺为主,MOS管在由“0”到“1”或由“1”到“0”的切换过程中,是一个充电放电的过程。在这个充放电的过程中,将产生电流,随之产生压降,即产生电压纹波,产生噪声。更进一步,切换速度越来越快,工作频率越来越高,产生的噪声将越来越大,将有可能对系统的操作产生影响。譬如该案例,就对射频耦合灵敏度产生了严重影响。

那么,我们如何选择电容呢?

我们知道,手机上常用的电容器是贴片电容,大多是多层陶瓷电容器,额定为6.3V,16V,25V,50V就可满足要求。高频情况下,电容的等效电路模型为下图。

9.jpg

电容的阻抗-频率曲线如下图。

10.jpg

根据电容的频率-阻抗曲线可知,该曲线成“V”字形状,左边部分为容性部分,是电容的性质,随着频率的升高,阻抗逐渐减小;右边为感性部分,呈现电感的性质,随着频率的升高,阻抗逐渐增大;最低点为自谐振点,阻抗为ESR的值。

当阻抗最低时,滤波效果最好。该案例要求滤除900MHz左右的噪声。根据下图的曲线,我们应选择33pF左右的电容。

11.jpg

下图为额定电压50V,0402贴片封装的规格书,这样的电容在电子产品中大量使用,价格便宜,是非常合适的选择。另外,实际工程中,受各种因素的影响(比如PCB焊盘的寄生效应,导线的寄生效应等),所以从下图所示规格的电容中,在33pF附近微调来找出最佳的电容,最后的调试结果为22pF。

12.jpg

下表为手机接收通路加22pF时和未加22pF时的测试结果。

13.jpg

下图为相应的图表。

14.jpg

我们知道,手机电路其实是一个挺复杂的电路系统。它涉及了通信及电子的很多方面,当然,很多实际并且具体的问题都要考虑到,比如电磁兼容。在设计初期,就要为这些问题预留措施。比如常见的几种情况:

★在电源线上并联电容,电源纹波大时,可加滤波电容进行滤波,没有问题时,可不加滤波电容。

★在容易产生干扰的信号线上预留并联电容。在实际调试过程中,没有问题时不加滤波电容,有问题时,加滤波电容。

★在容易产生干扰的信号线上串联0R电阻。在实际调试过程中,没有问题时加0R电阻,有问题时,加电感进行滤波。

这些都是在处理EMI问题时,没有成本的处理方法,只要变更一下物料清单就可以了。


  

发表评论

评论列表


没有评论

筛选

文章分类

热门文章

企业招聘网址

2023-12-07  浏览:3036次

BC1.2协议介绍

2023-06-14  浏览:2938次

USB2.0速度识别

2023-10-23  浏览:1361次