无线体温监测系统EMC问题分析及整改

黄二亮 卜祥磊 唐勇 叶凤章 黄鑫

摘要：我们设计的无线体温监测系统由于在开发设计时产品的设计、布局出现了问题，产生了电磁干扰（EMI），造成了电磁兼容性（EMC）问题。我们基于系统电路原理图，从PCB布局布线设计等方面优化晶振和时钟信号匹配电路，并介绍如何解决EMI干扰，避免EMC问题。

关键词：体温监测系统;无线;EMC;EMI;匹配电阻;去耦电容

中图分类号：TNO 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0173-03

0 引言

基于公共无线频道通讯协议的无线体温监测系统在产品设计时由于晶振、时钟信号布线和设计问题而产生了电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），在PCB线路中，晶振是一个辐射发射源，是产生和导致电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）问题的关键因素之一，时钟信号无匹配电路设计也是造成EMI干扰的主要原因[1]。为解决因在产品设计、布局时造成的EMI干扰问题，本文分析了无线体温监测系统产生EMC问题的主要原因，提出了从电路原理图设计方面来解决EMC的原理及方案。在其它产品设计、布局时，如有晶振、时钟信号的线路设计布局时，此方案措施也能很好的帮助其解决因此类问题造成的EMC问题和EMI干扰。

1 现象描述

基于公共无线频道通讯协议的无线体温监测系统在进行EMC空间辐射测试时因产品本身设计原因产生了电磁干扰，如图1所示是系统最初的空间辐射测试数据，根据测试数据可以看出电磁干扰频率主要为USB数据转换芯片8MHz振荡晶振的谐波倍频。从电路原理图图2分析，辐射干扰源可能会是由USB数据转换芯片的Y5晶振振荡器及SPI1_SCLK时钟信号与主控芯片之间通信造成EMC问题，产生EMI电磁干扰。

2 原因分析

整改过程中检查PCB线路布局发现时钟信号电路与主控芯片IC之间通信没有匹配电阻和去耦电容的线路，Y7、Y5两个 8MHz振荡晶振输入、输出线是从晶振下方通过，如图3所示。在晶振振荡系统开始工作后，从晶振下方经过的信号线会产生高频谐振，从而导致EMC问题，产生EMI干扰，也是造成空间辐射测试不能通过的主要原因。

从电路原理图中可以看出，USB 數据转换芯片的晶振振荡部分电路虽然有去耦电容，但没有匹配电阻;时钟信号电路与主控芯片IC之间通信没有匹配电阻和去耦电容的电路设计。结合测试数据及结果分析，晶振部分电路及时钟信号电路在电路设计上没有完整的匹配措施;同时，晶振及其相应时钟信号由于其周期特性，会因时钟边沿速率过快引起信号完整性和电磁兼容等问题，成为PCB的主要骚扰源，并产生较多谐波干扰，导致空间辐射测试超标。

通常情况下，当PCB电路设计中有晶振及时钟信号电路时，晶振线路布线设计时是否增加匹配电阻和去耦电容，或只加了去耦电容未加匹配电阻，以及时钟信号线上是否有增加匹配电阻及去耦电容对产生EMC问题，造成EMI干扰有非常大的影响。

匹配电阻在电路设计中主要有以下两个作用：

（1）阻抗匹配：因PCB上的布线含有一定的阻抗，会因布线问题产生阻抗失配，引发信号的完整性产生电磁干扰，即一般会采用源端串联一电阻的方式进行匹配来保证信号的质量[2]。

（2）减缓信号上升沿：匹配电阻R与电容C是一个RC低通滤波电路：

为反映信号响应速度的量t，其t值影响信号响应速度，从而影响高频干扰。匹配电阻的取值最好在20～100欧之间，也可在确保信号质量的前提下其值越大越好。

去耦电容主要应用于信号电路设计中，完成去耦、振荡/同步及时间常数的作用[3]：

（1）去耦：去耦电容是利用晶体管放大器的发射极通常含有自给偏压电阻，使信号产生的压降反馈到输入端形成了输入输出信号去耦。如果在这个电阻两端并联一个适当容量的电容，该电容对交流信号较小的阻抗就可以减小了电阻产生的去耦效应。

（2）振荡/同步：包括RC振荡器、LC振荡器及晶体的负载电容。

（3）时间常数（t）：是指电阻R和电容C串联构成积分电路，当输入信号电压V作用在输入端时，电容C上的电压逐渐上升。积分电路的充电电流I伴随着电压的上升而减小。电流I通过电阻和电容的特性通过下面的公式描述（其中e为自然常数）：

在PCB布局设计时，若要保证时钟电路有足够的去耦电容，就必须保证去耦电容的选取要满足预期的应用。自谐振频率需要考虑抑制时钟的谐波，通常我们都要考虑原始时钟频率的五次谐波。同时在高频电路中会因回路电感的影响，需要在PCB上放置有效容性的去耦电容来达到良好的去耦效果。在实际应用中通常采用大电容滤低频，小电容滤高频的原则来选取去耦电容值。

3 改进措施

对无线体温监测系统的EMC问题整改分析，我们在产品设计时应当注意以下几点：

（1）将晶振布局位置尽量靠近芯片IC，匹配电路设计置于晶振和芯片IC之间。

（2）时钟信号增加匹配电阻、去耦电容，晶振的输入、输出引脚串联匹配电阻。

（3）晶振附近及晶振下不能有信号线、电源线等布线，以免发生干扰。

依据以上分析，线路设计中USB数据转换芯片的振荡晶振部分电路只有去耦电容，没有匹配电阻。因此，我们首先在晶振的输入、输出引脚分别串联22欧电阻。经测试系统有明显改善，但仍不能通过测试。按上述思路分析，USB数据转换芯片的SPI1_SCLK引脚与主控芯片之间没有匹配电阻和去耦电容，可能会因此产生谐振，造成谐波干扰。在USB数据转换芯片的SPI1_SCLK引脚与主控芯片之间串匹配R30位置51欧电阻，如图4所示，同时增加C46位置100pF的去耦电容对地后，系统可以通过测试。

系统电路增加了整改措施，调整了PCB布局，重新进行PCB布线设计，得到整改后的无线体温监测系统。再次进行EMC空间辐射测试，系统电路解决了EMI干扰问题，通过了EMC测试，测试数据如图5所示。

4 结语

经过以上整改测试可以看出，在线路设计时，通常可以在晶振的输入、输出引脚增加去耦电容的同时预留匹配电阻调试位置，在时钟信号电路预留匹配电阻和去耦电容的RC低通滤波电路位置。当EMC测试出现问题时，可以适当调节匹配电阻值和去耦电容值来改善系统电路电磁兼容性问题，降低辐射干扰。还可在不影响新产品功能、性能的前题下可将匹配电阻改为高频磁珠来达到改善EMI干扰的目的。

综上所述，本文从线路设计及晶振、时钟信号造成EMI干扰的原理、匹配电阻与去耦电容的作用等方面阐述了无线体温监测系统因晶振、时钟信号引起的EMC问题及如何从线路布局、线路设计上去解决因此而造成EMI干扰的解决方案，也可运用此方案解决其它带有晶振和时钟信号产品的EMC问题。

参考文献

[1] 张亮.电磁兼容（EMC）技术及应用实例详解[M].电子工业出版社，2014.

[2] 孔今.EMC设计开发内参资料[M].电磁兼容工程师论坛，2017.

[3] 郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析[M].电子工业出版社，2010.