随着高速集成电路应用的普及,平均超过30%的板级系统设计将遭遇信号完整性和EMI等高速设计问题,这些问题如果得不到完善的处理,将造成整机系统因EMI问题超标而不能通过EMC认证。而随着新型集成电路的复杂性越来越高,产品上市时间越来越紧迫,IC分销商在推广应用集成电路的过程中,既要提供一揽子解决方案,又要帮助系统制造商通过EMC认证,因此,解决EMI问题已经越来越受到重视。
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当前,业界研发能力较强的公司在解决信号完整性和EMI问题上的基本思想是:利用EDA仿真技术和先进的测试设备,在产品设计早期尽可能地解决信号完整性问题,提出满足信号完整性要求、时序要求、EMC/EMI要求,并满足加工制造与测试条件的总体方案和设计准则,最大限度地降低产品成本,缩短研发周期。
然而,对于广大的中小系统制造商来说,由于解决信号完整性和EMI问题所需要的EDA仿真工具和测试设备过于昂贵,熟悉新型的集成电路花费的周期太长等等原因,他们要求分销商的技术支持团队从解决系统设计中的EMI问题着手帮助他们通过EMC的认证。其目的是让系统制造商的尽快推出符合各国规范的电子产品。
本文分为两部分,第一部分主要就EMI问题,介绍分销商对系统制造商所提供的支持。信号完整性和EMI问题是互相联系在一起的,第二部分主要就信号完整性和EMI问题,介绍分销商对解决这些问题的建议和方案。
接受《电子工程专辑》采访的主要分销商包括:香港友尚、上海丰宝电子、深圳晓龙国际、福州贝能科技和深圳威健实业,他们所分销和代理的部分产品如表1所示。此外,利用第九届国际集成电路研讨会的机会,还采访了其他分销商,在深圳还对两家EMI测试实验室进行了采访。下面从几个方面探讨分销商帮助系统制造商解决EMI问题的基本方法。
反映系统制造商的要求,协助IC制造商从源头控制EMI
友尚现在代理三星、MRT和ST的LCD产品,对于设计能力较欠缺的系统制造商来说,友尚会做出各种方案由系统制造商来选择,他们选定方案之后,通常友尚帮助系统制造商做到电路板设计的水平,让他们能够量产；对于有工程设计能力的公司,只要给他们芯片,系统制造商就可以开始设计,EMI的问题基本全部由他们的研发团队解决。这也是目前分销商技术支持过程中比较有代表性的做法。
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对于前者,友尚会帮助他们考虑EMI问题,但是送审通过EMC认证主要由系统制造商完成。友尚香港有限公司的余日章先生说:“LCD显示器有各种规格和尺寸,不同的尺寸都有不同的EMI问题,目前即使对于有设计能力的公司,也并不能完全解决EMC认证面临的问题,因为这是经验的累积。”
余日章介绍说,友尚的工程师很多都有十几年的研发经验,所设计的方案一般只要做很少频点的改动就能够通过EMC认证。但是,由于在EMI测试和仿真工具方面的欠缺,系统制造商的样品送审的时候,还会发现EMI方面存在非常严重的问题,有的PCB板几乎要从新改板。余日章介绍说,遇到这样的EMI问题之后,通常要借用EMI测试实验室技术人员的丰富经验,请他们指出哪些地方超过了EMC规格的限制,建议在什么地方加一个磁珠来吸收EMI,或建议在适当的地方对PCB板进行修改。
目前,解决EMI问题一般都要采用四层板,内层如果是地层,通常屏蔽EMI的效果会更好。余日章说:“LCD里面采用CPU的速度已经用到120MHz,并且与视频部分放在一起,当然不可避免会出现EMI问题。LCD对EMI又特别敏感,要解决LCD设计面临的EMI问题,过去从事CRT设计的工程师要注意掌握针对LCD的EMI规范和针对CRT的规范的差异。”
像长虹那样的大厂,虽然设计人员很多,但是通过接触余日章发现他们对EMI问题的了解也并不是很深入。“他们遇到的EMI问题我们如果不能解决,就要去找芯片供应商。”余日章说,“例如,时钟是EMI问题的最大来源。通过采取一些磁珠吸收措施,对EMI的问题都有很好的抑制作用,但是样成本会很高,IC供应商在设计芯片的时候采用集成补偿电路才是从源头解决EMI问题的方法。”
余日章介绍,新的芯片推出的时候都有一个初级版本,分销商拿来外围电路之后,如果发现EMI指标不对,通常会请芯片制造商改进芯片的设计。例如,曾经有一个系统制造商设计的LCD产品的颜色与真实的颜色有一点不一样,初步判断可能是EMI的问题,后来芯片供应商推出一个新产品,新旧产品的区别主要就是电容值,从而使EMI问题被解决得更好,余日章说:“新的芯片改进的就是EMI问题。如果EMI问题在芯片端就能得到很好的解决,就不必像以前那样,应用系统设计的工程师要在外面加一大堆抑制EMI的元器件。”
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但是,新的芯片价格相对来说比较高,在竞争日益激烈的市场环境下,系统制造商通常希望节省每一个用于消除EMI的元器件,在此,EMC认证实验室的测试和建议对他们的帮助就至关重要。
而对于分销商来说,怎样提供器件选型上的支持,是帮助系统制造商解决EMI问题的关键一环,晓龙国际有限公司技术及市场部的资深工程师谭建忠先生说:“由于许多中国系统设计工程师都缺乏EMC认证的经验,越来越多的OEM厂家开始要求我们分销商帮助他们通过EMC测试。”
通过器件的选择,帮助系统制造商解决EMI问题
对于分销商来说,当系统制造商提出EMI认证需要的时候,分销商通常推荐一些具有EMI抑制能力的芯片或模块的方案给系统制造商,IC供应商也会对此提出一个参考设计的平台方案。
在产品通过EMC认证的时候,认证实验室都会给出一些消除EMI的建议,比如增加磁珠等办法,认证实验室在收取系统制造商费用的之后,还会提出一些通过EMC认证的解决方案,主要是附加一些抑制EMI的元器件,这样一来就会带来产品成本的上升。
现在的问题是分销商所代理的IC产品的EMI已经达到了国际标准,系统制造商的设计工程师出于成本考虑,常常忽略一些抑制EMI的外围器件,从而造成系统制造商的产品迟迟不能通过EMI方面的测试。寄希望于EMI测试和EMC认证实验室,是目前系统制造商存在的一个基本倾向。表现在:对于设计中存在的EMI问题,在方案选择上许多系统制造商主要采取的是成本最低策略,忽略了EMI方面的关键要求,其结果是无法一次性通过安全规范测试,要返回多次重新设计,因而浪费许多人力、时间和物力。
上海丰宝电子的秦仓法说:“从分销商的经验看,选择好的器件就是选择了解决EMI问题的成本最低的方案,而不是选择价格最低的器件。”因为这里面还要考虑产品开发的时间成本和产品推向市场的机会成本的问题。
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“随着消费电子产品外销量的增加,包括一些电信产品,对EMI的要求将越来越严格,EMI问题将会作为设计的一个重要方面越来越受到重视。而不能寄托在EMC认证实验室的建议。”世强电讯的潘志云经理说,“目前存在的问题是一些系统制造商通不过EMI测试之后才去找分销商,分销商即使给他们一些很好的参考设计,并帮助他们解决问题,还是要浪费许多时间和资源,因此,分销商在器件的选择上要发挥关键作用。”
在器件选型的过程中,分销商的FAE由于比较了解系统制造商的要求,与系统制造商联系紧密,甚至要与系统制造商在实验室一起测试设计方案,FAE的丰富经验对于解决EMI问题很有帮助,潘志云经理说。
随着越来越多的功能整合在一起,系统设计过程中,每一个部分都会影响到其它部分的线路,因此由EMI造成的困难会比过去更加复杂。但是,对于系统制造商来说,他们都是希望用最少的器件来减少EMI的干扰,结构和电路板的优化设计都是减少EMI问题的方法。代理ESD保护器件的分销商时保电子的高级技术市场工程师李耀??说:“如果需要采用其它的EMI抑制元件,最好同时考虑系统的整合问题,包括既能解决EMI、又能解决ESD问题的方案,才能从成本的角度帮助系统设计工程师。”
李耀??介绍说,曾经有一个系统制造商,用分立器件怎么做都无法解决EMI问题,他们首先了解该厂商的产品在什么频率工作？是什么原因产生EMI问题？在哪个地方出现EMI问题？并配合他们工作,给出一些建议,一步一步往前走。最后该系统制造商通过实验,确实证明他们提供的抑制EMI的解决方案比其它方案更好,才最终决定采购时保电子的器件。
上述实例说明,分销商技术支持工作对系统设计工程师选择恰当的器件去解决EMI问题具有重要作用,因为只有分销商才对哪些器件控制EMI的能力有较深入的了解。
参与整机系统的设计,多渠道解决EMI问题
随着时钟频率的提高,电磁干扰问题越来越严重,它包括辐射型和传导型两种,为将电磁辐射限制在规定范围内,除了在芯片级、板级控制EMI之外,必须在整机系统设计中考虑怎样解决EMI问题。目前,在成本因素的驱动下,芯片、封装和PCB呈现一体化的趋势,因此,设计工程师从IC封装、PCB板级到I/O单元与I/O单元之间的高速信号互连、乃至整机系统的结构设计等多个层面去考虑如何解决EMI问题是行业发展的一个趋势。
福州贝能科技的张国利技术总监说:“作为分销商,帮助系统制造商解决EMI问题的有效途径是派遣有丰富经验的系统设计工程师到制造商内部,参与整机系统的设计。”他认为,EMI问题不仅要在前期设计阶段的加以考虑,还要在后期生产的过程中有效地控制。分销商的作用就是在产品批量生产的前后,帮助系统制造商解决包括器件选型和EMI问题在内的所有的问题。
目前,解决系统设计过程面临的EMI问题基本上有下列几条途径:1、通过分销商,请芯片供应商改进芯片内部的EMI指标；2、在分销商的帮助下,选择EMI性能比较好的芯片；3、采纳EMC测试实验室给出的建议,改进电路板的设计,处理好接地和去耦电容的安置；4、外加屏蔽盒。
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专业从事电磁兼容性测试的深圳市信测电磁技术有限公司的范桢高级工程师说:“目前,系统制造商在解决EMI问题上的主要问题是没有从源头去控制EMI,也就是说,在电路板设计、去耦电容的放置等问题上处理不好,从而被迫加多达十几个磁珠去控制某些频点的EMI,造成解决EMI问题的成本大为增加,而如果设计初期就考虑EMI的控制问题,通常加1-2个磁珠能够通过EMC认证。”
信华科技(深圳)有限公司从事EMC认证的胡宁学高级工程师介绍说,目前系统制造商内部缺乏专业的EMC工程师是问题的关键所在。他的经验表明:80-90%的产品只要加一些屏蔽、接地和EMI滤波的元器件就能够通过EMC认证,但是,也有将近10%的产品,必须由系统制造商重新设计才能通过认证。
上海丰宝电子的秦仓发市场总监说:“出于成本考虑,有些工程师可能会省掉一些解决EMI问题的专用元器件,这也是EMI问题最终困扰系统制造商的一个根本原因。我个人建议,要控制成本不能在EMI专用器件上节省,不然的话,产品出来就可能卖不出去。”
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由此可见,解决EMI问题应该贯穿整个设计链,首先是芯片设计端,在芯片级要保证EMI就是没有问题的；然后,板级设计也对EMI有相应的要求；到了整机厂家,电路板被嵌入系统之中的时候,还有一个整机系统的EMC规范问题。
在整个系统设计的过程中,分销商、芯片供应商和系统制造商都可能采取一定的设备或软件工具来解决EMI问题,但是这样还不够,还需要通过公认的第三方测试和认证机构对产品进行EMI测试和EMC认证。分销商在此扮演了承上启下的作用。系统制造商对整机系统的功能、电器要求、结构和控制等多方面的设计比较了解,也很有经验,分销商必须与他们一起工作才能圆满地解决EMI问题。
从解决EMI问题的层次来看,包括芯片、板级、系统结构等三个层次的EMI问题,完全依赖于分销商是做不到的。信华科技的胡宁学说:“系统设计工程师不了解EMC认证的测试原理和EMI干扰源的类型,是他们难以找到消除EMI问题的解决方案或者解决方案的成本很高的根本原因。此外,不同厂家的相同功能的IC替换的时候,由于IC使用环境的不同,通常整机的EMI都将发生变化,所以认真评估芯片及其使用环境也很重要。”
从分销商的经验看,技术含量比较高的数码产品,分销商主导设计的比例呈现上升的趋势,有的数码产品甚至80%以上由分销商的技术支持团队完成设计。上海丰宝电子的秦仓法说:“这样做的目的是把更多的难题留给分销商自己,让制造商有更多的时间考虑整机系统设计的问题。”因此,今后分销商将面临更多来自系统制造商对解决EMI问题的需求。
作者:周智勇
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