最近工作需要,设计一款使用USB接口传输信号的数字空气噪声传感器,主控芯片采用ESP32-S3芯片,声音传感器采用数字式PDM,I2S接口,MEMS芯片,ESP32-S3芯片自带I2S接口和USB接口,很好的满足了项目使用需求,那就开干呗.......
坑来了
第一版验证版很快就来了,电路OK,软件OK,功能实测,发现在附近有功率器件类似于恒温台、对讲器等器件工作时传感器会存在掉线,上位机死机的情况。在对讲机靠近USB线时,情况更加突出。针对这种情况,当然是要解决的。
电磁防护设计
查阅资料发现,当USB进行高速信号传输时,容易通过usb连接线缆对外高频辐射超标,同时外界的射频干扰也容易通过USB线干扰主机工作。同时由于带电热插拔,容易受到瞬间电压冲击和静电干扰。因此我们在产品接口设计时,需要着重从接口滤波设计,防护设计,PCB设计、结构电缆多个方面考虑电磁兼容设计。。
电路设计
电磁防护不仅要对USB数据传输接口防护,还要对电源进行防护。中L1为磁珠,配合CC2用于滤除为电源上的干扰;L2为共模滤波电感,用于滤除差分信号上的共模干扰;DRDRDR3组成usb接口防护电路,能快速泄放静电干扰,避免内部电路遭受静电的干扰;CC8为预留设计,注意电容尽量小,如实际影响信号传输,可以不焊接;RR2为限流电阻,差分线之间耦合会影响信号线的外在阻抗,可以用此电阻实现终端最佳匹配,使用时根据实际情况进行调整。
器件选型要求
L1选用磁珠,磁珠阻抗范围为100Ω/100MHz~1000Ω/100MHz,典型值选取600Ω/100MHz;磁珠在选取时通流量应符合电路电流的要求,磁珠推荐使用电源用磁珠。
L2为共模电感,共模电感阻抗选择范围为60Ω/100MHz~120Ω/100MHz,典型值选取90Ω/100MHz。
CC2两个电容在取值时要相差100倍,典型值为1000pF、0.1uF;小电容用滤除电源上的高频干扰,大电容用于滤除电源线上的纹波干扰;
DRDRDR3选用TVS,TVS反向关断电压为5V。TVS管的结电容对信号传输频率有一定的影响,usb0的TVS结电容小于5pF;
C1R6为地和外壳之间的跨接电容及电阻,典型取值为1000pF,耐压要求达到2KV以上,电阻1M以上。
测试
第二版电路很快设计完毕,测试发现USB完全抗住了电磁辐射干扰,但是当辐射源靠近ESP32-S3芯片5cm以内,传感器依然会受到干扰。这个问题需要对芯片及芯片周围的器件增加屏蔽罩,好在设计电路时预留了屏蔽罩的情况,增加屏蔽罩后,完美解决了电磁干扰的问题,将辐射源贴在传感器上都能够保证传感器正常工作,至此,传感器设计圆满完成。
功率电感:USB接口电磁兼容解决方案
功率电感:USB接口电磁兼容解决方案
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