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一、現象描述

某款數碼相機有一USB接口，外殼是塑料材質，內部控制電路印制板是雙面板。進行輻射騷擾測試時，該數碼相機的USB接口與計算機相連，并進行數據通信以模擬實際工作情況。3 m法半電波暗室中的測試結果如圖1和圖2所示。圖1為輻射騷擾測試接收天線水平極化時的測試頻譜圖，圖2是輻射騷擾測試接收天線垂直極化時的測試頻譜圖。

 

 

圖1 輻射騷擾測試接收天線水平極化時的測試頻譜圖

 

 

圖2 輻射騷擾測試接收天線垂直極化時的測試頻譜圖

從圖1和圖2可以看出，該數碼相機在輻射接收天線水平極化的情況下，有一點（頻率為148.34 MHz）超過了EN55022標準中規(guī)定的CLASS B限值線的要求，還有一點（頻率為194.9 MHz）只有0.38 dB的余量。該數碼相機在輻射接收天線在垂直極化的情況下，也有幾點只有很小的余量。

 

二、原因分析

USB接口能提供雙向、實時數據傳輸，具有即插即用、可熱插拔和價格低廉等優(yōu)點，目前已成為計算機和數碼相機等信息電子產品連接外圍設備的首選接口。時下流行的USB 2.0具有高達480 Mb/s的傳輸速率，并與傳輸速率為12 Mb/s的全速USB 1.1和傳輸速率為1.5 Mb/s的低速USB 1.0完全兼容。這使得數字圖像器、掃描儀、視頻會議攝像機等消費類產品可以與計算機進行高速、高性能的數據傳輸。另外值得一提的是，USB 2.0的加強版USB OTG可以實現沒有主機時設備與設備之間的數據傳輸。

USB接口的傳輸速率很高，周期信號及信號的諧波會通過傳輸電纜產生輻射騷擾。另外控制芯片和接口芯片在產生信號時，芯片的地與電源之間也會隨信號的擺動，產生噪聲。

因此，通常用以下四種方法來抑制USB接口的EMI噪聲，如圖3所示。

 

 

圖3 USB接口的EMI噪聲抑制措施

（1）USB接口電纜會采用屏蔽電纜。

（2）在USB接口電纜上套上鐵氧體磁環(huán)。

（3）而差分線對上則串聯(lián)一個共模電感。共模電感由兩根導線同方向繞在磁芯材料上，當共模電流通過時，共模電感會因磁通量疊加而產生高阻抗；當差模電流通過時，共模電感因磁通量互相抵消而產生較小阻抗。如某型號為SDCW2012—2—900的共模電感在100 MHz的差模阻抗僅為4.6 Ω，如圖4所示。

 

 

圖4 共模電感頻率衰減特性曲線

從圖4所示的衰減特性也能看出，在USB接口電路中的共模電感對差分信號不會造成影響，主要是針對共模電流進行選擇性的衰減。

（4）USB接口電路和控制電路電源良好的去耦也是降低USB接口電路EMI噪聲的重要部分。

檢查本案例中的數碼相機，首先發(fā)現，數碼相機側的USB屏蔽電纜的屏蔽層與USB接口金屬連接器采用的是“Pigtail”的連接方式，即屏蔽層在靠近金屬連接器時，擰成一股長約3 cm的線，再焊接在金屬連接器上。這是一個明顯的連接缺陷，Pigtail的存在，相當于在屏蔽層上串聯(lián)了一個數十納亨的電感，它能夠在接口的電纜屏蔽層上因屏蔽層電流的作用而產生一個共模電壓。隨著頻率的增大，Pigtail連接的等效轉移阻抗也將迅速增大，這樣不但會使屏蔽電纜完全失去屏蔽效果，而且可能產生額外的騷擾。

改變數碼相機中屏蔽電纜與金屬連接器的連接方式，即將屏蔽電纜屏蔽層與連接器金屬外殼進行環(huán)形360°搭接。更改后輻射騷擾測試接收天線水平極化時的測試頻譜圖和更改后輻射騷擾測試接收天線垂直極化時的測試頻譜圖分別如圖5和圖6所示。

 

 

圖5 更改后輻射騷擾測試接收天線水平極化時的測試頻譜圖

 

 

圖6 更改后輻射騷擾測試接收天線垂直極化時的測試頻譜圖

可見，在148.34 MHz的頻率處，輻射下降了近4.5 dB，但是離限值線的余量較小。

進一步檢查數碼相機中印制電路板的電路原理，發(fā)現控制芯片的電源采用磁珠與電容進行去耦，其中去耦電容C28大小為0.1 μF，如圖7所示。

 

 

圖7 USB接口部分電路原理圖

實際上0.1 μF的貼片電容并不能很好地為100 MHz以上頻率去耦，原因主要在于兩個方面：一是電容本身存在寄生電感；二是去耦電流回路上存在的電感。對于一個理想的電源來說，其阻抗為零，在平面任何一點的電位都是保持恒定的（等于系統(tǒng)供給電壓），然而實際的情況并不如此，而是存在很大的噪聲，甚至有可能影響系統(tǒng)的正常工作，去耦電容就是為了降低電源阻抗，保證器件附近的電源穩(wěn)定在波動較小的范圍內。

0.1 μF的陶瓷貼片電容的諧振點一般在十幾兆赫茲，也就是說，0.1 μF的陶瓷貼片電容，只能在十幾兆赫茲頻率附近使電源的阻抗保持在較低的水平，這個頻率離本案例中數碼相機的輻射超標的頻率點有一定的距離。圖8給出了接口芯片電源采用0.1 μF去耦電容時，在頻率148.34 MHz點 上 輻 射 較 高 的 原 因。圖8 中 箭 頭 表 示148.34 MHz等 未 被0.1 μF電容很好地去耦的噪聲向電源傳輸，又由于在該頻率點上，電源阻抗較高，電源與地之間產生較高的壓降。這樣，相當于在電源與地之間形成了一個148.34 MHz的電壓源，又由于數碼相機是一個浮地系統(tǒng)，與地相連的電纜屏蔽層成了輻射的天線。

 

 

圖8 去耦不良形成輻射原理

查閱電容的頻率-阻抗特性，得知1000 pF左右的貼片電容，如果保證最短的引線電感（引線電感較長，會使該電容失效），由于1000 pF的電容的自諧振頻率是150 MHz附近，因此可以很好地對高頻的噪聲進行抑制，如圖9所示，相當于噪聲源被旁路，即噪聲源的電壓幅度降低，所示輻射騷擾自然也降低。

 

 

圖9 并聯(lián)1000 pF電容作用原理

按照原理分析，嘗試用1000 pF并聯(lián)在USB接口芯片的電源引腳上，即與0.1 μF去耦電容并聯(lián)。再進行測試，結果如圖10和圖11所示，測試通過，證實了分析的正確性。

 

 

圖10 并聯(lián)1000 pF去耦電容后輻射騷擾測試接收天線水平極化時的測試頻譜圖

 

 

圖11并聯(lián)1000 pF去耦電容后輻射騷擾測試接收天線垂直極化時的測試頻譜圖

 

三、處理措施

（1）改變屏蔽電纜屏蔽層與金屬連接器的連接方式，取消原來的Pigtail，實現360°搭接。

（2）為接口芯片的電源引腳增加1000 pF的電源去耦電容，并在PCB布局上靠近電源引腳放置。

 

四、思考與啟示

（1）屏蔽電纜的屏蔽層與連接器的連接很重要，一定要保證360°搭接。

（2）電源去耦電容的選擇要考慮被去耦器件的工作頻率及其產生的諧波，不要什么器件都用0.1 μF的電容，一般器件的工作主頻20 MHz以下的建議用0.1 μF的去耦電容，20 MHz以上的器件用0.01 μF的去耦電容，也可以嘗試采用大小并聯(lián)電容的組合去耦方式，如0.1 μF電容與1000 pF的電容并聯(lián)，以取得較寬頻帶的去耦效果，但是還是要注意大小電容容值相差100倍以上。

（3）電源去耦對降低電源阻抗、降低電源噪聲和地噪聲有很大的幫助，由此對輻射騷擾抑制也有很大的幫助，特別是接口電路電源去耦，因為接口電路附近的電纜就是輻射的天線。

（4）對于浮地設備，電源的去耦、電源和地的完整性對EMC來說顯得更加重要。