如何抑制音视频接口的EMI和EMC

　　引言

　　所有电子产品在上市之前必须进行EMI/EMC测试，证明它们不会产生干扰，或不会受到其他设备的干扰。出于测试目的，可将这些产品分成两类：主动辐射产品和非主动辐射产品，例如，蜂窝电话和对讲机主动辐射能量，而电视、电脑和膝上型电脑则不应该辐射能量。

　　产品的种类和测试机构不同，EMI/EMC的测试要求也不同。但还是可以将EMI/EMC测试大致分为两类：

　　辐射：该测试限定了某产品辐射或传导的信号幅度和频率，从而使其不会对其它产品产生干扰。

　　敏感度（也称为抗扰度）：该测试通过限定会干扰设备正常工作的辐射和传导信号的幅度和频率，说明产品的辐射抑制能力。

　　如上所述，EMI可分为传导干扰和辐射干扰两种。由于所有的EMI辐射都是由电流产生的，因此这两种干扰彼此相关。但并不是所有的电流都会产生辐射。因此，首先要分析和抑制辐射干扰问题，然后再处理传导干扰问题。对于这两种干扰来说，辐射干扰更难预测和抑制。因此它是造成大多数非主动辐射产品EMI测试失败的主要原因。在此，我们将着重讨论如何解决众多产品中普遍存在的音频/视频接口的辐射干扰问题。

　　可以采用多种方法来满足EMI/EMC规则中所限定的条件。但这些方法大都可以归入屏蔽和滤波两大类。在实际产品中，这些方法都要与特定的应用相结合，实现全面的EMI解决方案。例如，在大多数产品中，都会用一个金属壳体来屏蔽辐射，同时利用L-C或R-C滤波器来降低输入/输出线的传导干扰。此外，还可以使用一个抖动时钟来扩展频谱范围，以降低特定应用的滤波或屏蔽要求。

　　当产品的EMI性能基本达到要求时，都会被拿到认证实验室进行正规测试。如果产品通过了测试，就可以投放市场；而不能通过测试就意味着存在问题。解决问题时，即使一个小小的改动也要花费很长时间。这样就可能耽误产品的上市时间，因为国际和国内市场都要求产品必须通过EMI/EMC兼容性测试1。这样一来，EMI设计常常要牺牲产品的视频性能，以确保其通过测试。在现代设计中，需要考虑通过EMI测试所需要的元器件的物理尺寸和成本，因此更会以牺牲视频性能作为代价。

　　现代音频/视频模拟接口的尺寸不断减小，而性能期望值却很高，这对设计提出了非常严峻的挑战。要解决这一问题，首先要找出大多数EMI/EMC测试失败的源头；然后再探究可行的解决方案。

　　测试失败的源头

　　EMI/EMC测试失败通常发生在产品设计中最薄弱的环节—信号（和干扰）从这个环节进入或离开经过屏蔽和滤波的机构。在音频/视频接口中，最薄弱的地方就是连接设备的电缆，它们相当于天线。对于电脑来说，将显示器和扬声器连接至PC的电缆是最薄弱的环节，它常常会引起EMI/EMC问题。我们可能会认为只有高带宽的视频接口才会产生这种问题，而低频音频接口不会有这种问题。所有放大器都采用A类音频放大器时确实是这样。然而，目前所采用的高效D类放大器2都具有高频开关信号，如果不进行适当的滤波和屏蔽，也会存在EMI问题。

　　过去，可以采用大型外部滤波器和/或屏蔽电缆来解决这些问题。但是这些方法不仅增加了成本，而且还影响了产品性能和增大了产品尺寸。随着这些产品的尺寸不断缩小，演变为当前的音频/视频播放器，EMI/EMC解决方案必须在保持甚至改善系统性能的同时减小产品尺寸。为实现这一目的，开发出了诸如MAX9511图形视频接口和MAX9705 D类音频放大器等小型器件，这些器件能够提供优异的EMI性能。为了展示这种改进是如何实现的，可以考察一台普通PC的音频和显示器接口3，以及这些纤巧的器件所提供的EMI性能。首先，我们应该了解音频/视频接口设计中必须解决的各种EMI问题，然后给出解决这些问题的方法。

　　视频和EMI

　　计算机普遍采用的视频格式，也就是我们所说的“图形”，和电视的视频形式是不一样的4。计算机视频具有红、绿和蓝色（R， G， B）模拟视频信号，以及包括行、场同步和DDC5组成的逻辑信号，所有这些信号都具有快速上升/下降时间。视频连接器通常采用高密度超微D型连接器，用来连接显示器和PC （图1）。虽然这个方案结合了视频信号屏蔽（同轴）和共模扼流圈（CMC）等措施来降低辐射和传导EMI，但还是需要增加滤波环节，才能够确保满足EMI要求。在广播视频应用中，采用类似的滤波措施来消除电视图像中的混叠瑕疵。然而在图形视频中却不能这么做，因为图形视频的目的是在尽可能高的分辨率下重现“开”“关”像素的棋盘状图案。因此，为实现最佳的显示性能，我们希望带宽越大越好。但在实际应用中，必须权衡考虑EMI和视频性能，因此只好牺牲视频带宽。对于多信号视频接口，多种因素需要权衡考虑。

　　图1. 典型的VGA连接方式以及产生辐射EMI的视频信号

　　例如，对视频信号进行滤波时，会产生时间延迟，而如果各视频通道（R、G和B）的延迟时间不能精密匹配，就会产生彩色边缘效应。为了避免这一现象，必须精密控制视频通道的群延迟和群延迟匹配6。RGB视频极容易受到这些参数的影响7。若要获得最佳性能，群延迟必须与频率保持一致，通道之间的最小群延迟匹配必须保持在±0.5个像素时间之内。如果匹配能如此精密，那么同步信号也必须跟踪通道延迟，从而正确地显示图像帧。做到了这一点后，还需要解决PC支持的多视频分辨率问题。

　　在此应用中，采用固定频率滤波器实现最佳性能是非常困难的。如果我们设计一款滤波器来抑制最低分辨率情况下的EMI，滤波器的阻带会介入较高分辨率格式的信号带宽内，从而影响较高分辨率的视频性能。如果针对最高分辨率格式设计滤波器，就可能满足不了EMI要求。显然，最佳的解决方案就是采用一个频率响应能够跟踪显示分辨率的“可调”滤波器，但这种方法会增加成本，而且还可能增大产品尺寸。另外，同步和DDC驱动器的快速上升/下降时间对EMI性能的影响也很重要。因此，在任何一个完整的EMI方案中，都必须包括能延缓这些上升/下降时间的方法。还有一些历史遗留问题，诸如为了满足即插即用要求的视频DAC负载检测功能。

　　MAX95118可以实现所有这些功能。如图2所示，分别给出了高分辨率图形卡输出采用MAX9511，采用L-C滤波器方案，以及无滤波原始输出的EMI特性。

　　图2. 三种情况下辐射的EMI： a） 无滤波，b） 采用无源LC滤波器，c） 采用MAX9511