TV+DVD COMBO机开路接收干扰的研究和解决方法

2011-04-26 11:03:26来源: 互联网 关键字:开路  接收  干扰  研究

    摘要:介绍了TV+DVD COMBO机开路状态下易产生的干扰,针对其现象对干扰源、干扰现象、传播路径及敏感器件的进行了分析,并通过相应措施的应用,达到对此状态接收机电视信号质量的改善。文中着重介绍了电源部分产生的干扰现象、产生源及干扰抑制方法。
关键词:开路;干扰源;传播路径;敏感器件;电磁兼容性(EMC)

    随着数字信息时代的来临,普通电视机逐渐普及并具有超大信息存储容量的DVD碟片和DVD播放器逐渐成为人们获取信息的主要途径。由于采用一体化设计,TV+DVD COMBO机不仅省去了联接线和复杂的连接方法,而且用户仅需一只遥控器,就可完成TV和DVD的全部功能操作,只要按一下DVD或TV键就可方便地实现TV和DVD之间的转换。
    这款TV+DVD COMBO机与普通电视机相比,它具有内置DVD播放器设计使TV和DVD共用部分电路资源节省成本,同时又能简化用户的连接和操作。随着人们对电视图像质量要求的不断提高,电视接收机信号干扰问题日渐成为电路设计者所要首先考虑的问题。电视接收机在不同的环境和条件下会受到不同种类、不同程度的干扰,所以对电视接收机干扰问题也相对复杂些。
    而开路状态即电视信号不是通过同轴电缆进行信号传输,而是通过大气作为媒介用天线来接收电视信号的接收方式。这种状态下的外界干扰会比闭路状态下更为严重。但一般状态下形成干扰要满足3个基本要素:干扰源、传播路径、敏感器件,如图1所示。


    从这些方面考虑电磁干扰,以达到对TV+DVD COMBO机开路接收的抗干扰性进行分析和改善,从而达到更好的电磁兼容性(EMC)。由于电磁干扰的原因,工作在规定的电磁环境安全范围内的电气和电子的系统、装置和设备,他们的设计水平或性能上没有造成不可接受的下降,这种能力就是电磁兼容性。

1 接收机干扰种类
    任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对生命物质或对无生命物质产生损害作用的电磁现象,叫电磁骚扰。它可能是由电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。对于电视接收机而言,它就是干扰源,用数学语言描述数字信号、开关电路、脉动发生电路和大功率控制电路等,在极短时间内电压电流急速变化的场合,含有电感和电容的电路通断的场合。
    不同的交流电源干扰来自,外来噪声是外界干扰,内部噪声是机内噪声。

    除此之外,噪声按传递途径分类


    文中从外部和内部对电视接收机的干扰进行分析。
1.1 外部干扰
    外部干扰是由电视机本身产生降低电视信号质量的干扰,一般多为辐射干扰,如:外界雷电、继电器运作、开关动作电路等。当这些du/dt,di/dt值较大的干扰耦合进电视接收机,会对其产生严重的影响,重者会使电视机损坏,这种干扰又分自然干扰和人为干扰。
1.2 内部干扰
    一般情况下,受外界干扰的程度和强度由环境因素决定,所以改善TV+DVD COMBO机的电视信号效果要从电视机芯电路设计着手,也就是对电视机本身性能的研究。当外界条件稳定的情况下,电视信号接收效果越好,说明该电视接收性能越强。针对不同的电视接收机,不同机芯电路设计,在干扰种类和形式上基本相同,但不同的机芯电路设计有细微的干扰差别。
1.2.1 PCB设计及布线
    良好的印制电路板(PCB)设计和布线在电磁兼容性中是一个重要的因素。大多数PCB布线受限于电路板的大小和铜板的层数。一些布线技术可以用于一种电路,却不能用于另一种,这便主要依赖于布线工程师的经验。所以PCB设计及布线成功的话将减少绝大部分的电磁干扰。如果布线不当会产生干扰。

(1)线路板分区不合理:如强、弱信号、数字、模拟信号距离不当。干扰源(电源)与大信号区过近,干扰频谱如图4所示。这种干扰一般是通过电磁辐射耦合到相应的敏感区引起的。


    (2)单片机总线与小信号区距离不当,产生干扰现象,如图5所示。这种干扰是由于单片机产生的干扰通过传导或辐射耦合到小信号区。


    (3)电路板的走线是主要的辐射源。走线产生的辐射主要是由于逻辑电路中电流的突变,在导线的电感上产生了感应电压,这个电压会产生较强的辐射。
    另外,由于导线起着辐射天线的作用,所以导线越长,辐射效率越高,产生的干扰程度越强。
    (4)线路板上有较大的环路面积,易形成辐射源。
    (5)布线是直角路径会在其内部的边缘产生集中的电场。该电场能产生耦合到相邻路径的噪声。
    (6)布线的间距过小易产生电容耦合的干扰,一般在走线距离方面有简单的规定。
    (7)电源线的地线过窄,以致电源线和地线的阻抗相对较大,从而电流流过时产生一定的压降,对敏感区造成过大的干扰。
    可见,PCB设计和布线是提高电视接收机抗干扰能力应考虑的因素。
1.2.2 开关电源部分
    干扰种类及现象:开关电源的差模、共模滤波器,由C801,T801和C802组成,抑制供电电路引入的各种电磁干扰掉,消除电网电压中高频干扰脉冲;由于共模滤波器具有双向性,即可将随交流电供电线路引入的干扰信号抑制之外,还可将由开关稳压电源高频振荡注入交流市电的电磁干扰抑制,而且后者的滤波效果更明显。如图6(a)~图6(d)分别为电容C802前后的频谱图和波形图,可见经过差模电容后干扰程度明显减弱。

开关电源主要引起电视接收机的噪点干扰,轻微干扰,如图6所示;严重干扰时会形成S纹状干扰,如图7所示。


    开关电源抑制电路由C873,C852,D843,R851组成。在开关管Q801截止时,变压器在(1)~(3)绕组上产生突变的开关干扰电压,此电压通过D843对C873,C852充电。由于D843正向导通电阻很小,故充电时间短,使(1)~(3)绕阻上的能量在开关管Q801截止的瞬间有一个释放通路。这样,开关变压器(1)~(3)两端产生的突变电压会大大减小,从而起到抑制开关干扰作用。而C852同时还对二极管两端产生的尖峰电压进行滤波。其他形成原因和抑制方法如表1所示。


    电容C835前后的地干扰情况有较大差别,电容的滤波效果明显,如图8(a)和图8(b)分别为电容滤波前后的频谱图。


    开关电源部分还具体研究了C808,C809,C817,C830,C851(冷地部分两个地之间的耦合电容),C832,C833,C852,C864几个电容的滤波效果,如表2所示。通过对上述电容的分析,可知电容的滤波作用不是电容越大状态越好,而是根据具体的电路匹配适合的电容,频率决定电容的选择,电压决定耐压的选择,同时还要考虑器件选择的成本问题。

1.2.3 DVD部分
    在DVD部分,它有两个地线回路:一是DVD的地线,一是在主机芯板上与12 V的DVD供电电源形成回路的地线。对于后一个回路的不同接点会形成一定的干扰。地线回路路径如PCB图8,当把C818正极与它下面的地线连接可以形成地线环路如PCB图10所示,这种情况下会引入大信号地的干扰,当观看DVD静态画面时出现波纹干扰。而在J917处接通地线回路时,就不会出现上述干扰现象,这是因为这个回路没有走大信号的地,从而没有串入干扰。

2 干扰传播路径
    干扰传播的途径如图10所示。有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导传播”,也有通过空间直接传播的“辐射传播”。
2.1 辐射传播
    电场(E场)产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m/V,电场强度正比于导体之间的电压,反比于两导体间的距离。磁场(H场)产生于载流导体的周围,磁场的单位为m/H,磁场正比于电流,反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时,产生电磁(EM)波,E场和H场互为正交同时传播。传播速度由媒体决定;在自由空间等于光速3×108m/s。在靠近辐射源时,电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定,仅在远处是正交的电磁场,如图12所示。

       


2.2 传导传播
    产生传导干扰可以为差模(在火线和零线之间或信号线之间)或共模(在火线/零线/信号和地线之间),也可以为两者的组合。对于信号和控制线,仅限制共模电流。对于电源端口,在远端要测量火线和大地之间、零线与大地之间的电压。差模发射通常与电源的低频开关噪声有关,而共模发射可能是由于高频开关元件、内部电路电源或内部电缆的耦合引起的。
    通过被连接电路,两根导线终端与地线之间存在着阻抗。这两条线的阻抗一旦不平衡,在终端就会出现模式的相互转换。即通过导线传递的一种模式在终端反射时,其中一部分会变换成另一种模式。

3 抑制干扰的措施
    电视接收机的电磁兼容性好坏应该从各个抑制干扰方面进行考虑,从而达到更佳的接收效果,下面将从5个方面进行分析。
3.1 元件的选择
    所有的无源器件都包含寄生电阻,电容和电感。在高频及EMC问题容易发生的高频段,这些寄生参数经常占主导地位,并使器件功能彻底发生变化。例如,在高频,碳膜电阻或者变成电容,或者变成电感(由于引线自感和螺线),这二者甚至会谐振,从而使结果变得更为复杂;线绕电阻在几千赫兹以上是无用的,而1 kHz以下的碳膜电阻直到几百兆赫兹仍保持其电阻性。电容由于其内部结构和其外引线自感的影响会发生谐振,超过第一个谐振频率点后,就呈现显著的感抗。从EMC角度,表贴元件是首选器件,因为其寄生参数小得多,而且能在直到很高的频率提供令人满意的参数。比如,表贴电阻(1 kΩ以下)在l GHz时仍保持电阻性。对器件的限制还有功率(尤其是对付浪涌的)、dv/dt承受能力,di/dt承受能力等。
    对电容而言,陶瓷介质常具有最好的高频率特性,所以表贴陶瓷电容往往是最好的。有些陶瓷介质具有很大的温度或电压系数,但COG或NPO材料没有温度及电压系数可言,是性能非常稳定的高质量高频率电容器。但当容量大于l nF时,其外形比较大,且比其他介质的陶瓷电容贵得多。磁性元件应具有闭合磁路,这对抗扰度和发射都是重要的。
3.2 电路设计及线路板
    (1)保持环路面积最小。任意一个电路回路中有变化的磁通量穿过时,将会在环路内感应出电流。电流的大小与磁通量成正比。较小的环路中通过的磁通量也较少,因此感应出的电流也较小,这就说明环路面积必须最小。
    (2)使导线长度尽量短。它不像信号环路那样不容易识别,环路面积的尽可能小不可能立即看到,而导线的长短则是很显然的。就是尽量使所有元件紧靠在一起,PCB设计人员不应将元件过于分散而占用更多的面积。
    (3)加强电源线和地线之间的电容耦合。根据印制线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。
    (4)布线时避免90°折线,减少高频噪声的发射。
3.3 抑制干扰源
    抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中的优先原则,这可起到事半功倍的效果。这里所指的干扰源是对机芯而言,对于抵抗外界干扰源,可以通过切断干扰路径和提高敏感器件抗干扰性实验。
    (1)将发射的频谱严格限制在设计指标内;(2)减小IC对电源的影响,可以在IC上并接一个高频电容,进行滤波;(3)干扰源电路输出的去耦/滤波;(4)屏蔽源端器件。

3.4 切断干扰传播路径
    根据干扰的耦合路径分为传导和辐射干扰,所以切断传播路径可以从滤波和屏蔽两方面实现。
3.4.1 滤波
    高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器将有用信号和噪声分离开,并对噪声进行滤出。


    (1)电源滤波
    共模噪声:在设备内噪声电压的驱动下,经过设备与大地之间的寄生电容,电缆与大地之间流动的噪声电流,如图13(a)所示。减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感(共模扼流圈)、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器,如图13(b)所示。共模扼流圈是将电源线的火线和零线(或信号线和回流线)同方向绕在铁氧体磁芯上构成的,它对线间流动的差模电源电流和信号电流阻抗很小,而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗很大。


    差模噪声:电子设备内噪声电压产生与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流,如图14所示。减小这种噪声方法是在电源线和信号线上串联电感(差模扼流圈)、并联电容或用电感和电容组成低通滤波器,减小高频的噪声,如图15所示。
    (2)器件滤波
    一般在开关器件等干扰发生器件上添加组合进行滤波。通常在二极管两端用电感型滤波器或并接电容滤波,对开关管两端接电容型滤波器进行滤波,将小信号电源输入端接复合型滤波器滤波。针对不同频率的干扰,采用不同的滤波方法。
3.4.2 屏蔽
    屏蔽是指用金属材料将产生的噪声封闭起来的方法,屏蔽对防止外部噪声进入机体内部及防止机体内部之间干扰同样有效。电场屏蔽和磁场屏蔽的方法是不同的。
    电场屏蔽:电场屏蔽中用导体将噪声源包围,然后接地,就能达到屏蔽的目的。并且,由于导体表面的反射损耗大,因此轻薄的(铝箔、铜箔)材料也有良好的屏蔽效果。
    磁场屏蔽:常规屏蔽对低频磁场是无效的,因为低频场的屏蔽取决于反射而不是吸收。由于磁场的波阻抗低,因此反射损耗小。只有垂直于回路的磁通量分量才感应电压,所以改变源和回路的相对方向具有一定效果。只有能提供高吸收损耗的材料才可能对磁场屏蔽,例如钢、金属或玻莫合金。随着频率升高,
    这些材料的导磁率降低,从而使屏蔽效果降低。而非磁性材料,例如铜或铝变得更加有效。在100 kHz附近,它们的屏蔽效能大致相等。高导磁率材料在高场强中还会饱和,经过加工还会损失磁导率。磁场屏蔽中,直流磁场/低频磁场和高频磁场的屏蔽方法是不同的。直流磁场/低频磁场的屏蔽需要用厚的高导磁率材料包围起来,高频磁场的屏蔽要使用导电率高的材料完全封闭起来。
3.5 提高敏感器件抗干扰措施
    提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:
    (1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声;
    (2)布线时,电源线和地线要尽量粗,除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声;
    (3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源,其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源;
    (4)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路;
    (5)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。
3.6 降低电磁干扰的一些实践经验
    (1)合理选用;(2)可用串联一个电阻的办法,降低控制电路上下沿跳变速率;(3)尽量为继电器等提供某种形式的阻尼;(4)使用满足系统要求的最低频率时钟;(5)时钟产生器尽量靠近器件,石英晶体振荡器外壳要接地;(6)用地线将时钟区包围,时钟线应尽可能短;(7)I/O驱动电路尽量靠近印刷板边,使其尽快离开印刷板,对进入印制板的信号和从高噪声区来的信号都要滤波,同时用串联终端电阻的办法,减小信号反射;(8)集成电路中应尽量接地;(9)印制板应使用45°折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合;(10)印制板按频率和应保持一定电流开关特性分区,噪声元件与非噪声元件距离;(11)单面板和双面板用单点接电源和单点接地,电源线和地线应尽量粗,采用多层板以减小电源、地的容生电感;(12)模拟电压输入线、参考电压端应远离数字电路信号线;(13)对A/D类器件,数字部分与模拟部分不应交叉;(14)元件引脚尽量短;(15)关键导线要尽量粗,并在两边加上保护地,高速线应短且直;(16)对噪声敏感的线不要与大电流、高速开关线平行;(17)石英晶体以及对噪声敏感的器件下方不要布线;(18)弱信号电路和低频电路周围不要形成电流回路;(19)任何信号都不要形成环路,如不可避免,应保持环路区尽量小;(20)每个集成电路都应加一个去耦电容。每个电解电容边上都加一个小容量高频旁路电容。

关键字:开路  接收  干扰  研究

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