數字電視機頂盒中的電磁兼容設計

摘要：本文從電磁兼容原理出發，系統地詳細地闡述了數字電視機頂盒的各個組成部分抗電磁干擾的電路設計方法，使機頂盒能順利地達到電磁兼容標準的要求。

關鍵詞：數字電視機頂盒、電磁兼容性、電磁干擾

當前數字電視的發展中數字機頂盒是一個必不可少的設備，數字地面電視機頂盒、數字有線電視機頂盒、數字衛星電視機頂盒在全國范圍大量普及。一只好的機頂盒，除了產品自身的功能以外，電路設計和電磁兼容性(EMC)設計的技術水平，對產品的質量和技術性能指標起到非常關鍵的作用。數字機頂盒作為千家萬戶必備的電視產品，其電磁兼容性能十分重要。

數字電視機頂盒的功能越來越強大，其電路也越來越復雜，對電磁干擾(EMI)和電磁兼容性技術水平要求也越來越高。電磁兼容性要求在同一電磁環境中，設備能夠不因為自身或其它設備的干擾影響正常工作，同時也不對其它設備產生影響工作的干擾。電磁兼容設計實際上就是針對機頂盒中產生的電磁干擾進行優化設計，使它能符合國家電磁兼容性標準，通過3C認證，達到批量生產的要求。

電磁干擾一般分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。對于機頂盒來講，傳導干擾主要來自開關電源。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。機頂盒的輻射干擾來自其工作的各個部分，我們這里討論數字電視機頂盒針對30-1000MHz（或更高）的輻射干擾設計。數字電視機頂盒主要由電源板、解調解碼板、SMART卡板和前面板組成，電磁干擾主要產生于這幾個部分。

1 開關電源

電源噪聲是電磁干擾的一種，傳導噪聲的頻率大致為10kHz～30MHz，最高可達150MHz。開關電源為了有效地抑制電網噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性，首先在交流220V的入口連接線上套裝鐵氧體磁環濾除一定的電磁干擾，然后在整流前采用電磁干擾濾波器（EMI Filter），即∏型LC濾波電路，其中的L和C參數尤為重要，直接關系到EMC性能。這種雙向射頻濾波器，一方面濾除從交流電源線引入的外部電磁干擾，另一方面避免本身設備向外部發出噪聲干擾，以免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作，同時可很好地抑制共模和差模干擾。

開關電源的電磁干擾主要來源于開關回路，為了達到良好的抗干擾效果，可以采用先進的開關電源芯片，比如美國PI公司生產的TinySwitch?誖-II家族中的TNY266、TNY268等，其132kHz的工作頻率是擾動的，可以有效地減少準峰值和平均EMI，最大限度的降低EMI濾波的成本和達到最好的抑噪效果。在電路中正確使用儲能濾波電容、注意變壓器的繞制工藝、采用光電耦合器分割冷熱地、輸出直流進行LC濾波等都是電源電路常用的抗干擾設計。由于雙絞線有抗磁功能，我們可以將開關電源和解調解碼板之間的連接排線打繞后連接。

2 解調解碼板

2.1 接地

接地在機頂盒的EMC設計中至關重要，良好的接地技術可以使干擾信號通過最短的路徑旁路，可以減小高頻回路截面和縮短內部連線的長度，達到有效抑制電磁輻射的目的。

解調解碼板的接地選點很重要，一般在高頻頭、時鐘、解碼芯片、印制板的螺釘安裝孔上多做考慮。時鐘的晶振金屬外殼接地，減小時鐘的輻射干擾；高頻頭的金屬外殼多處接地，而且注意高頻頭安裝的印制板處要以高頻頭的信號為基準分割數字地和模擬地，不可以混為一團，否則造成數字地和模擬地的相互干擾，直接影響機頂盒的接收靈敏度；數字地和模擬地的隔離通常采用磁珠，用于數字電路和模擬電路的電源要伴隨隔離的數字地和模擬地；電源線的地和信號源的地嚴格分開；為了防止模擬視頻和音頻之間的相互干擾，將視頻地和音頻地隔開是機頂盒通常采用的方法。

機頂盒一定要選擇金屬外殼，這樣高頻頭天線輸入/輸出口、AV輸入/輸出端口、S輸出端子、數據串口DB9接口等端口界面就可以通過機殼很好地接地，有些部件還可以通過螺釘緊密地與機殼連接，大大地抑制端口的電磁干擾，接地的全金屬外殼還能起到很好的屏蔽作用。解碼芯片是機頂盒的主芯片，它的工作直接影響到整機的工作，為了減小時鐘和多次倍頻信號的干擾，增強本身的抗干擾能力，我們通常將其不用的管腳接地（或拉高），不讓其懸浮，以免它們向空中輻射干擾。

2.2 線路板布線

對于電路設計來講，線路板的布線關系到產品的工作質量和電磁兼容特性，所以在設計電路板時就要充分考慮到怎樣減小電磁輻射。

走線的基本原則是盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，這是減小電磁輻射的有效方法。電源線、地線和印制板的走線就像接收和發射高頻干擾的天線，要減小這些干擾就要減小它們的高頻阻抗，所以走線一定要短而粗，線條要保持均勻，盡量不要走直角，以45°拐角為好，尤其是電源線和地線要盡量寬，而地線又以大面積鋪設為佳。

時鐘線、信號線和地線的距離要比較近，使其形成的環路面積比較小，還可以增加它們與地之間的分布電容，減小輻射干擾。尤其時鐘線兩邊最好由地線護送，即雙地線并行屏蔽的方法，這相當于雙回路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果非常顯著。時鐘線在上下兩層板之間交替行走的次數不宜過多，同層一根線不要被地線閉環圍繞。

線路板的布局要做到模擬電路和數字電路分開，高速、中速和低速的邏輯電路區域要劃分開，盡量減小無用信號之間的相互耦合，信號線要越短越好。

機頂盒能采用多層板最好，可以在中間設置專門的電源層和地層，可以降低供電阻抗，減小阻抗噪聲、增大分布電容，可大大抑制輻射干擾。但是為了降低成本，多數機頂盒采用兩層板，兩層板要求做到一層走橫線一層走豎線，盡量形成地線網絡，減小環路面積。

2.3 調節時鐘幅度

經測試證明，機頂盒的電磁干擾基本都是電路中的晶體振蕩器的工作頻率和與它相關的多次諧波。CPU的工作時鐘是27MHz，其內工作兩倍頻54MHz，CPU提供SDRAM工作的時鐘為108 MHz，在數字有線電視機頂盒的實驗中，我們測試到109.36MHz處電磁輻射幅度較高，57.21dBpW，如圖1所示，同時會造成108MHz等各倍頻頻點及附近頻點的靈敏度降低好幾個dB，見表1 的比較。通過適當降低晶體的振蕩幅度的方法對減小時鐘的電磁輻射干擾是很有作用的。可以在27MHz振蕩回路以及SDRAM的工作時鐘上串聯衰減器或串聯一只電阻來實現，為了不影響正常的工作，我們通常串一只33～100 ?的電阻。采取此措施之后109.36MHz處電磁輻射幅度明顯降低到46.14 dBpW，如圖2所示。

2.4 信號線濾波

數字機頂盒中有很多的數字信號線，這些信號線除了布線時采取的措施以外，我們還采用濾波的方式減小它們上面的干擾。信號線濾波的方法大致三種：信號線與地線之間加濾波電容，可以把干擾旁路到地上；在信號線中串接磁珠，抑制干擾信號，這種效果比較明顯，但對信號影響較大；在信號線中串接電阻，對不同頻率的信號作用相同，這種方法在機頂盒中廣泛采用，比如高頻頭解調出來的TS流數據時鐘線、CPU與FLASH和SDRAM通訊的數據、地址、時鐘線等我們都采用串接33?贅電阻的方法。采取各路信號線濾波之后的數字有線電視機頂盒109.36MHz處電磁輻射幅度降為39.12dBpW，如圖3所示。

3 前面板

前面板即是機頂盒的鍵盤、顯示、遙控等用戶控制板，電路相對于解調解碼板簡單，但是其上有控制顯示的芯片，有些機頂盒還帶有單片機，這些電路工作仍然有電磁干擾，為了降低成本我們布線時多采用單層板，一定要盡可能地多留出地線的位置，接地也要均勻，可通過兩到三個點接地連到機殼上，效果較好。另外，可采用前面板與后面機箱間加金屬隔板的辦法，起屏蔽作用，但這樣會增加成本。

4 板間連接

在機頂盒內部，各部件之間的連接布線同樣重要，合理的布線可以大大減小電磁干擾。通常機頂盒內只有電源板與解調解碼板、前面板與解調解碼板、SMART卡板與解調解碼板、信號數據排線（特殊用處的機頂盒才有）幾處連線。首先要在設計初期考慮好分布，使各連線盡可能短；排線的排列以\"地-信號-地-信號-地\"的方式抗干擾性能較好；傳輸不同信號的導線分開捆扎，并保持一定的距離，可以減小相互的干擾；利用絞線可相互抵消干擾的原理，所有排線可絞數圈后安插；連線盡量貼近機殼，不要橫跨在解調解碼板之上。

以上都是數字電視機頂盒中采用的抗電磁干擾的措施，普遍適用于數字地面電視機頂盒、數字有線電視機頂盒和數字衛星電視機頂盒。這些措施在機頂盒設計時就要充分地考慮到，當然不同的方案不同的設計運用不同，但采用這些電磁干擾設計的機頂盒，其電磁兼容性可以得到很大程度的改善，機頂盒的工作性能（尤其是靈敏度）也能得到很大的提高，順利地通過3C認證和生產認證。

參考文獻

[1] （加拿大）韋斯頓著，楊自佑，王守三譯.電磁兼容原理與應用(原書第2版)[M]北京:機械工業出版社（國外電氣工程名著譯叢 ），2006，1.

[2]GB13837-1997標準.聲音和電視廣播接收機及有關設備無線電干擾特性限值和測量方法.