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电磁兼容在集成电路中的设计应用

2010-07-203790黄明华 周耀坤机电工程技术

通常,当两电路间形成交链、两电路共用同一电流通路、两个相互靠近的回路以及接触不良或电路寄生振荡等产生的噪音给电路引入差模干扰。

共模干扰又成为对地干扰、不平衡干扰等,它是相对于公共地电位产生的工作信号之外的信号变化,是相对于公共电位基准点在接受电路的两个输入端同时出现的干扰。共模干扰一般以电压源的形式表征,其等效电路图如图2,图中Z、Z2表示噪声源阻抗,Uc 表示共模电压源。


图2 共模干扰等效电路图

通常,电路接地不合理、接地点间微小电阻产生的接地电位差、变压器初次级间的杂散电容引起的初次级间对地电位的变化、供电源波动对系统接地线产生的电位波动等噪音给电路引入共模干扰。

辐射干扰是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律和特性向周围空间发射。在集成电路设计中常见的辐射偶合有, 大电流变化引起的电磁场经导线感应偶合形成的干扰; 平行导线高频信号之间的感应以及高频信号线与周围靠近的信号线之间的感应耦合形成的干扰。在实际工程中, 两个设备之间的干扰通常包含多种途径的偶合形式。这些偶合干扰同时存在, 同时作用,使得集成电路的电磁干扰难以控制。

6 集成电路电磁兼容性设计

在集成电路设计中,对应于电磁干扰形成的三个基本要素,进行硬件抗干扰设计基本思想为:抑制干扰源、切断干扰耦合和提高器件抗干扰能力[3],保证电子设备具有一定的抗电磁干扰能力,在其工况下能正常工作,电子设备自身尽可能少对周围其它设备产生电磁干扰,影响其它设备正常运行,从而达到电磁兼容的理想状态。由于电磁干扰源及电磁干扰现象普遍存在,如果在一个系统中各种用电设备能和谐正常工作而不致相互发生电磁干扰造成性能改变和损坏,人们就称这个系统中所用的设备是相互兼容的。

(1)电源抗干扰设计
在供电电网中,电网内部的波动、电网短路暂态过程的脉冲,交流传动装置引起的谐波,各种大功率用电设备开关操作产生的浪涌以及工作产生的交流磁场,雷电等均能引起电子设备供电电源的波动[5]。此外,对设备本身而言,许多电子芯片对电源波动相当敏感,电源干扰逐渐成为危害最严重的干扰之一,因此对于电源的抗干扰设计应予以充分的重视。
电源抗干扰设计主要有:
1)使用隔离变压器可将屏蔽层良好接地[4],并对抑制电网中的干扰信号有较好的效果。
2)使用电源滤波器; 电源滤波器在一定频率范围内有一定的抗电网干扰作用, 也可以与隔离变压器配合使用,先用合适的电源滤波器滤波,然后用隔离变压器进行隔离可达到良好的电源滤波器效果。如图3所示为效果较好的一种交流电源滤波器, 其中100uH电感和0.1uF 电容组成高频滤波器抑制高频干扰;0.5H电感和10uF电容组成低频滤波器吸收电源电压波形畸变产生的谐波干扰;压敏电阻Rp 用于吸收过压干扰。

 
图3  多级电源滤波器

3)屏蔽高频电源、强电设备等干扰源; 用阻容和感容去耦合网络把电路与电源隔离开, 消除电路之间的耦合,并避免干扰信号进入电路,对于高频电路可采用用两个电容器和一个电感器组成的CLCM-II型滤波器。
4)防雷电干扰; 雷电在非常短的持续时间内释放异常强大能量,因此雷电属于非常强的干扰源。防雷电干扰常采用的设计方法有:其一,采用防雷过电压冲击的防雷变压器,抑制因雷击或雷电感应产生的过电压以及来自电网中的瞬态冲击;其二,采用接闪器、避雷引线和避雷接地组成的避雷系统防止直接雷击, 将雷击的能量引入大地;其三采用气体避雷管、压敏电阻、电压瞬变吸收二极管或固体放电管等将感应雷击的高电压尖峰削波和能量吸收,以保护电子设备。

(2)防静电抗干扰设计
电子设备在正常工作期间积累的静电造成的静电瞬态放电能在瞬间产生极大的电流,这个瞬间放电足以破坏电子设备的芯片,严重时可将元器件击穿。为防止静电干扰常采用的设计方法有:
1)使用一个缓冲芯片把系统里的重要元件同可能与静电释放(ElectroStatic Discharge, 简称ESD) 接触的元件隔离,然而这也不是一个很好的解决方法,因为,这意味着缓冲芯片将受到静电流冲击;
2)采用防静电地板和静电消除器等泄放积累的静电,阻止静电荷的积累;
3)增加串联电阻以降低静电放电电流, 增加并联元件以把静电放电电流引走;
4)采用良好的接地措施,将产生的静电电荷引走;
5)采用耐静电电压值高的器件。

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