CN106981361B

CN106981361B - 电磁装置

Info

Publication number: CN106981361B
Application number: CN201610884385.1A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·凯斯拉斯
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2036-10-10
Also published as: US10326536B2; CN106981361A; EP3157101B1; US20170104547A1; EP3157101A1

Abstract

一个例子公开一种电磁装置，该电磁装置包括：第一电路，该第一电路被配置成产生第一电磁场；第二电路，该第二电路响应于第一电磁场；阻尼电路，该阻尼电路被配置成响应于由第一电磁场诱发的电流产生第二电磁场；并且其中第二电磁场降低第二电路对第一电磁场的响应性。

Description

电磁装置

技术领域

本发明的说明书涉及与电磁装置相关的系统、方法、设备、装置、制品和指令。

背景技术

能够彼此通信的电子装置可以利用各种通信方法，比如电磁远场辐射或近场电感藕合。例如蓝牙(BT)是利用电磁远场辐射的标准，而例如磁感应(MI)是借助于近场利用装置之间的耦合的方法。

电子装置可以具有小尺寸，例如集成电路(IC)或佩戴式装置，比如助听器、耳塞、智能手表等。小尺寸的装置可以具有集成的许多不同部件，比如电子电路、机械组件和介电材料。所有这些组件可以非常接近地组合在一起并可能相互影响。

如果此类电子装置含有通信系统，那么此类电子装置可以包括连接到天线的发射器、接收器或收发器。在一些装置中，天线可以集成/内嵌在装置的外壳中。此类天线传输信号或从从其它装置接收信号以建立通信。天线的接收信号质量可以由一定信噪比限定。对于成功的通信，信噪比应足够高。只有在具有足够信噪比的情况下，装置的无线接收器中的解调器才可以能够进行解调制而不发生失真或误码。

然而，电子电路和电子电路连接产生电磁场，并且会严重减少通信范围。虽然电子装置通常必须符合电磁兼容性标准(EMC)，但是此类标准的要求并不总是足以保证具有接近电子电路和电子电路连接的天线的小尺寸通信装置中的通信链路性能不会退化。

实际上，装置的电子电路和组件间连接会产生电磁干扰(即，可以组合并且使天线工作频率下的信号退化的基带频率谐波)。例如，传输音频内容的线(例如，数字接口线)[I²S]会产生强电磁干扰。

在另一个例子中，无线连接的佩戴式装置通常因D类音频放大器的高效率而使用此类放大器。D类放大器是数字放大器，该放大器的音频内容可以呈脉冲位置调制信号的形式。此类基带放大器信号可以直接连接到佩戴式装置的扬声器。然而，这种连接线会在无线装置的较高频率无线通信信道中产生高阶电磁干扰(即，基带频率谐波)，因为无线装置的天线位于接近至扬声器的基带电子电路和电子电路线处。此类干扰使无线装置的通信信道退化(即，引发无线装置的通信信道的底噪)，并且降低通信系统的信噪比。这又减少了佩戴式装置的通信范围。

电子电路周围的金属屏蔽(例如，法拉第笼)可以减少电磁干扰；然而，此类屏蔽可能庞大且不当地抑制电子装置的天线。

大型电子装置中使用的其它方法包括：接地层、滤波和其它类型的屏蔽。然而，小装置通常没有空间来集成此类解决方案。

发明内容

根据示例实施例，一种电磁装置包括：第一电路，该第一电路被配置成产生第一电磁场；第二电路，该第二电路响应于第一电磁场；阻尼电路，该阻尼电路被配置成响应于由第一电磁场诱发的电流产生第二电磁场；并且其中第二电磁场降低第二电路对第一电磁场的响应性。

在另一示例实施例中，阻尼电路形成环绕第一电路的一部分的电环。

在另一示例实施例中，阻尼电路形成环绕第一电路内的所有元件的电环。

在另一示例实施例中，第一电路另外包括一组非线性电路和一组外部电互连件；并且阻尼电路包围该非线性电路但是不包围该组外部电互连件。

在另一示例实施例中，阻尼电路相对于第一电路和第二电路以物理方式定位，使得第二电磁场降低第二电路对第一电磁场的响应性。

在另一示例实施例中，根据楞次定律，第一电路的第一电磁场在阻尼电路中诱发形成反相场的电流；并且该反相场至少部分地消除第二电路的位置处的第一电磁场。

在另一示例实施例中，第一电路包括第一组电线，并且阻尼电路包括与第一组电线隔离的第二组电线。

在另一示例实施例中，阻尼电路包括阻抗；并且该阻抗被配置成设定由阻尼电路产生的反相场的幅度。

在另一示例实施例中，阻抗是电容器。

在另一示例实施例中，阻抗是可调式阻抗元件，该可调式阻抗元件被配置成响应于装置的工作模式可变地调整反相场的幅度。

在另一示例实施例中，阻尼电路包括一组阻抗，该组阻抗被配置成接入到阻尼电路或从阻尼电路断开，以响应于装置的一组工作模式用数字方式调整反相场的幅度。

在另一示例实施例中，电磁装置另外包括通信系统；并且阻抗被配置成使该通信系统中的信噪比达到最大。

在另一示例实施例中，阻尼电路被配置成降低第二电路对第一电路发射的近场信号的响应性。

在另一示例实施例中，第一电路另外包括至少以下之一：发射器、接收器或收发器。

在另一示例实施例中，阻尼电路部分地围绕硬质衬底上的第一电路并且部分地围绕电缆内的第一电路。

在另一示例实施例中，该电磁装置包括：第一层；第二层；第二层在第一层上方或下方；第一电路在第一层内；并且阻尼电路在第二层内。

在另一示例实施例中，另外包括第三电路，该第三电路被配置成产生第三电磁场；第二电路也响应于第三电磁场；第二阻尼电路，该第二阻尼电路被配置成响应于由第三电磁场诱发的电流产生第四电磁场；并且第四电磁场降低第二电路对第三电磁场的响应性。

在另一示例实施例中，电磁装置是至少以下之一：电子通信装置；集成电路；智能电话；佩戴式装置；助听器；或智能手表。

以上论述并不意图呈现当前或未来权利要求集的范围内的每一个示例实施例或每一个实施方案。附图和以下具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。

结合附图考虑以下具体实施方式，可更完全地理解各种示例实施例，在附图中：

附图说明

图1是电磁装置的第一例子。

图2是电磁装置的第二例子。

图3是电磁装置的第三例子。

图4是电磁装置的第四例子。

图5是电磁场强度对比频率的示例曲线图。

图6是电磁装置的第五例子。

图7是电磁装置的第六例子。

图8是电磁装置的第七例子。

虽然本发明容许各种修改和替代形式，但是已经借助于例子在图式中示出且将详细描述其细节。然而，应理解，也可能存在除所描述的具体实施例以外的其它实施例。也涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。

具体实施方式

图1是电磁装置的第一例子100。第一电磁装置100包括电源102、负荷104和连接线106。由于这些组件102、104、106之间的互连，第一电磁装置100具有EMI发射表面积108。

电源102借助于两条连接线106连接到负荷104。电源102的电压(U)在闭合电路中产生电流(I)：I＝U/Z，其中Z是闭合电路的阻抗。

由于连接线106沿着它们的长度彼此电隔离，因此在它们之间具有一些物理空间并且形成EMI发射表面积108。第一电磁装置100中的电流I产生磁场，该磁场取决于EMI发射表面积108、电流强度以及与第一电磁装置100的测量EMI读数处(即，观察位置)的距离。

在第一参考例子中，可以通过此公式获得由具有圆形形状的闭合电路产生的磁场强度(例如，EMI发射)：

H：磁场强度

I：电流

r：圆环表面的半径

x：沿着轴线与环的距离

在另一个参考例子中，可以通过此公式获得由具有矩形形状的闭合电路产生的磁场强度：

H：磁场强度

I：电流

a：长方形表面的长度

b：长方形表面的宽度

x：沿着轴线与环的距离

对类似于第一电磁装置100的长方形闭合EMI发射电路的一组示例测量在图1中示出，现进行论述。

在这个例子中，EMI发射电路具有1cm²的表面积和100微安培的电流。EMI发射电路在1cm的距离处产生60db微安培/米的磁场强度。

如果此EMI发射电路在与磁性近场耦合(MI)通信的通信系统中并且电路的频率或其谐波落入该通信系统的通信信道内，那么该通信系统的磁性天线将连同用于正常通信系统消息的所要磁场一起接收非所要EMI发射场。

因此对于接收器和天线具有24db微安培/米的灵敏度的通信系统，将存在约36db的通信链路退化。这导致通信系统的通信距离短四倍，因为近场信号具有18db/八度的磁场转降，这在一些示例实施例中是不可接受的。

图2是电磁装置的第二例子200。第二电磁装置200包括电源202、负荷204和连接线206。由于这些组件202、204、206，第二电磁装置200具有EMI发射表面积208。

第二示例装置200可以在外围电子电路中比第一示例装置100产生更小的电磁干扰(EMI)(例如，基带频率谐波干扰)。考虑到相对大的EMI发射表面积110增加干扰磁场，相对较小的EMI发射表面积210会减少干扰磁场。然而，这种减少存在物理限制，因为连接线208必须沿着其长度电隔离。

图3是电磁装置的第三例子300。第三电磁装置300包括电源302、负荷304和双绞线连接线306。由于这些组件302、304、306，第三电磁装置300具有第一EMI发射表面积308和第二EMI发射表面积310。

此第三示例装置300也可以产生比第一示例装置100更小的电磁干扰(EMI)。第三电磁装置300可以结合呈所谓双绞线布置的长线缆一起使用。通过双绞线，形成较小EMI发射表面积308、310，这些表面积产生彼此部分地消除的相反磁场。然而，较小EMI发射表面积308、310具有可变形状，因此有时彼此很好地消除但是有时不能很好的消除。

图4是电磁装置的第四例子400。第四电磁装置400包括EMI发射电路402(例如，第一电路)。EMI发射电路402包括电源404、负荷406和连接线408。由于这些组件404、406、408，第四电磁装置400具有EMI发射表面积410。

在各种实例中，第四电磁装置400可以是：电子通信装置；集成电路；智能电话；佩戴式装置；助听器；或智能手表。同样，EMI发射电路402可以包括：发射器、接收器或收发器。

EMI发射电路402附近是阻尼电路412(例如，EMI抵消环)。阻尼电路412包括连接环416，并且在一些示例实施例中还包括阻抗414。由于这些组件414、416，阻尼电路412具有优选地大小与EMI发射表面积410类似的阻尼表面积418(示出的表面等效物)。应注意，阻尼表面积418是由阻尼电路412形成的总面积。

EMI发射电路402和阻尼电路412内的连接线408在本文界定为在各种实施例中包括：分立导线、轨迹、半导体金属化连接件，以及用于电子电流的其它形式的导电材料连接件。

阻尼电路412提供从EMI发射电路402到一组隔离电路420(例如，第二电路)的EMI保护，该组隔离电路420例如外围电路422、连接到通信系统426的天线424。

在操作中，EMI发射电路402产生第一电磁场。隔离电路420中的一个或多个受此第一电磁场影响(即，响应于此第一电磁场)。阻尼电路412被设计为具有与EMI发射电路402的耦合因子。耦合因子使得EMI发射电路402的第一电磁场在阻尼电路412中诱发电流，该阻尼电路412产生第二电磁场，该第二电磁场降低第一电磁场对该组隔离电路420的影响。

根据法拉第定律，EMI发射电路402的第一电磁场在阻尼电路412中诱发电流。阻尼电路412中的电流产生二次磁场。根据楞次定律，如果感应电流流动，那么感应电流流动方向始终使得感应电流将对抗对感应电流的改变。因此，由阻尼电路412产生的二次磁场具有来自EMI发射电路402的EMI辐射相反的相位，并且至少部分地消除该辐射。

以此方式，来自EMI发射电路402的非所要磁场的幅度得到减少，从而防止隔离电路420(例如，外围电路410、天线424、通信系统426等)受到EMI干扰。阻尼电路412的阻尼表面积418和感应电流限定二次场幅度。在一些实例中，阻尼电路412的阻尼表面积418受EMI发射电路402和其它附近电子电路的物理结构约束，因此可能不能完全优化EMI发射电路402的非所需磁场的抵消。

在某些实例中，阻尼电路412的连接环416(例如，线)与EMI发射电路402的连接线408电隔离。

阻尼电路412还可以被配置成降低隔离电路420对EMI发射电路402发射的近场信号的响应性。

对于包括阻抗414的阻尼电路412的那些示例实施例，阻抗被配置成设定由阻尼电路产生的二次场幅度。阻抗414在各种频率下设定阻尼电路412的感应电流的形状(例如，调谐)，以使阻尼电路412的EMI抵消场在各种频带上达到最大。

可以通过求阻尼电路412与EMI发射电路402之间的耦合因子的最大值获得EMI辐射的最大抵消。在一些实例中，当阻尼电路412接近EMI发射电路402定位时，可以获得0.25到0.95之间的耦合因子。

当隔离电路420之一是天线424或通信系统426时，阻抗414可以被配置成使天线424或通信系统426的信噪比达到最大。

在某些示例实施例中，阻抗414是可调式阻抗元件，该可调式阻抗元件被配置成响应于改变第四示例装置400的工作模式而可变地调整二次场幅度。此类工作模式例如可以连续支持多个通信信道或第四示例装置400的各种高功率状态和低功率状态。

在一些例子中，阻抗414是电容器。在其它例子中，阻尼电路412包括一组阻抗(例如，一组电容器)，该组阻抗被配置成接入到阻尼电路或从阻尼电路断开，以便响应于装置的一组工作模式用数字方式调整二次场幅度。

现在论述以物理方式配置阻尼电路412的各种例子。阻尼电路412可以环绕EMI发射电路402中的所有元件或仅部分元件形成电环(例如，物理边界)。如果EMI发射电路402内的某些非线性电路产生大多数EMI，那么阻尼电路412可以仅包围非线性电路。EMI发射电路402与隔离电路420之间的电互连件的各个部分可以或可以不由阻尼电路412进行EMI保护。

在一个示例实施例中，阻尼电路412不包围EMI发射电路402，而是替代地可以紧邻EMI发射电路402和第二电路以物理方式定位(见图6)，使得阻尼电路412的电磁场降低隔离电路420对第一电磁场的响应性。EMI发射电路402的各个部分可以分布在硬质衬底(例如，印刷电路板)或电缆上。阻尼电路412可以仅保护硬质衬底部分、电缆部分或这两者。

阻尼电路412不需要与EMI发射电路402在同一平面上。例如，如果电磁装置400包括第一层和在第一层上方或下方的第二层，那么EMI发射电路402可以在第一层内，而阻尼电路412可以在第二层内。

在另一个例子中，第四电磁装置400另外包括被配置成产生第三电磁场的第三电路(未示出)，其中隔离电路420(例如，第二电路)响应于该第三电磁场。在此配置中，第二阻尼电路(未示出)具有与第三电路的第二耦合因子，并且被配置成因该第二耦合因子而响应于由第三电磁场诱发的电流产生第四电磁场。第四电磁场降低第二电路对第三电磁场的响应性。

因此，上文所论述的各种示例实施例允许第四示例装置400产生比第一、第二或第三示例装置100、200、300更小的电磁干扰(EMI)，并且显著减少来自EMI发射电路402的非所需/干扰磁场。

图5是电磁场强度(例如，磁场强度(H))对比频率的示例曲线图500。曲线图500示出图4中示出的第四电磁装置400的一组示例测量结果。

曲线图500示出频率502X轴、电磁场强度504Y轴、通信信道506区域、第一谐振频率508、第二谐振频率510以及参考水平512。

曲线图500中示出的电磁场强度504对应于距离EMI发射电路402约1cm的所接收的非所要磁场。在这个例子中，EMI发射电路402的EMI发射表面积410是60mm²。无线收发器(未示出)和连接天线424位于距离EMI发射电路402约10mm。此示例EMI发射电路402产生1MHz与33MHz之间的非所需频率，并且装置400的通信信道506在10.6MHz处。

为促成10.6MHz的通信信道506的中心频率，阻尼电路412中的阻抗414是表面安装的5.6毫微法拉的电容器。通过此阻抗414的值，阻尼电路412中的电流在7.44MHz并具有12.2的品质因子的第一谐振频率508下减到最小。

在第一谐振频率508下，阻尼电路412处于高阻抗状态，其中EMI发射电路402发射的非所要磁场未获得补偿(例如，减少或抵消)，因为在第一谐振频率508下通过阻尼电路412的电流处于最低水平。

在第二谐振频率510下，阻尼电路412处于低阻抗状态，其中EMI发射电路402发射的非所要磁场获得补偿(例如，减少或抵消)，因为在第一谐振频率508下通过阻尼电路412的电流处于最高水平。

通过阻抗414的设计选择，第二谐振频率510在10.6MHz处，恰当地对应于所要通信信道506的频带。在通信信道506内，来自EMI发射电路402的EMI辐射(例如，EMI谐波)被减到最小。第二谐振频率510下的品质因子是8.4。可以通过第二谐振频率510下的品质因子调整在此频率下流动的电流的量。已经测出EMI减少18db。

如图5所示，也已经部分地消除了高于上述10.6MHz范围的频率中的EMI辐射/干扰，从而使得宽带EMI减少。

图6是电磁装置的第五例子600。第五电磁装置600包括EMI发射电路602(例如，第一电路)。EMI发射电路602包括电源604、负荷606和连接线608。由于这些组件604、606、608，第四电磁装置600具有EMI发射表面积610。

EMI发射电路602附近是阻尼电路612(例如，EMI抵消环)。阻尼电路612包括连接环616，并且在一些示例实施例中还包括阻抗614。由于这些组件614、616，阻尼电路612具有阻尼表面积618(示出的表面等效物)。应注意，阻尼表面积618是由阻尼电路612形成的总面积。

阻尼电路612提供从EMI发射电路602到一组隔离电路620的EMI保护(例如，第二电路)，该组隔离电路620例如外围电路622、连接到通信系统626的天线624。

在此示例第五装置600中，阻尼电路612邻近(例如，接近)EMI发射电路602，但是不围绕EMI发射电路602，即使它们充分耦合。在一个实例中，示例第五装置600和阻尼电路612在低导电材料上方。

图7是电磁装置的第六例子700。第六电磁装置700示出多层示例实施例。第六电磁装置700示出第一层中的EMI发射电路702、定位在第一层上方的第二层中的顶部阻尼电路704(例如，抵消环)，以及定位在第一层下方的第三层中的底部阻尼电路706(例如，抵消环)。

顶部阻尼电路704和EMI发射电路702间隔开第一层间距离708。底部阻尼电路706和EMI发射电路702间隔开第二层间距离710。取决于具体实施方案和所要的EMI减少(例如，抵消)效果，第一层间距离708和第二层间距离710可为约几毫米或几微米。

图8是电磁装置的第七例子800。第七电磁装置800包括EMI发射电路802、阻尼电路812和一组隔离电路816。

EMI发射电路802包括电源804、基带电路806和RF电路808。EMI发射电路802电连接到天线820。

阻尼电路812包括阻抗814。隔离电路816包括一组外围电路818和天线820。

第七电磁装置800与前述电磁装置100到400、600和700的不同之处在于所示出的EMI发射电路802与天线820之间的显式电连接。

在此第七例子800中，电子通信装置800可以是无线接收器、发射器或收发器，并且阻尼电路812经过调谐以不仅减少(即抑制)来自电源而且减少来自基带电路806和RF电路808的电磁发射，使耦合到天线820的EMI减到最小。

在本说明书中，已经就细节的所选组合呈现了示例实施例。然而，本领域的普通技术人员将了解，可以实践包括这些细节的不同所选组合的许多其它示例实施例。所附权利要求书意欲涵盖所有可能的示例实施例。

Claims

1.一种电磁装置，其特征在于，包括：

第一电路，所述第一电路被配置成产生第一电磁场；

第二电路，所述第二电路响应于所述第一电磁场；

阻尼电路，所述阻尼电路被配置成响应于由所述第一电磁场诱发的电流产生第二电磁场；并且

其中所述第二电磁场降低所述第二电路对所述第一电磁场的响应性；

阻尼电路不包围第一电路，阻尼电路紧邻第一电路和第二电路。

2.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路形成环绕所述第一电路的一部分的电环。

3.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路形成环绕所述第一电路内的所有元件的电环。

4.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述第一电路另外包括一组非线性电路和一组外部电互连件；并且

其中，所述阻尼电路包围所述非线性电路但是不包围所述外部电互连件。

5.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路相对于所述第一电路和所述第二电路以物理方式定位，使得所述第二电磁场降低所述第二电路对所述第一电磁场的响应性。

6.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，根据楞次定律，所述第一电路的所述第一电磁场在所述阻尼电路中诱发形成反相场的电流；并且

其中所述反相场至少部分地消除所述第二电路的位置处的所述第一电磁场。

7.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述第一电路包括第一组电线，并且所述阻尼电路包括与所述第一组电线隔离的第二组电线。

8.根据权利要求6所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路包括阻抗；并且

其中所述阻抗被配置成设定所述反相场的幅度。

9.根据权利要求8所述的装置：

其特征在于，所述阻抗是电容器。

10.根据权利要求6所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路包括阻抗；并且

其中，所述阻抗是可调式阻抗元件，所述可调式阻抗元件被配置成响应于所述装置的工作模式可变地调整所述反相场的幅度。

11.根据权利要求6所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路包括一组阻抗，所述阻抗被配置成接入到所述阻尼电路或从所述阻尼电路断开，以便响应于所述装置的一组工作模式用数字方式调整所述反相场的幅度。

12.根据权利要求8到11中任一项所述的装置：

其特征在于，所述电磁装置另外包括通信系统；并且

其中所述阻抗被配置成使所述通信系统中的信噪比达到最大。

13.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路被配置成降低所述第二电路对所述第一电路发射的近场信号的响应性。

14.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述第一电路另外包括至少以下之一：发射器、接收器或收发器。

15.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述阻尼电路部分地围绕硬质衬底上的所述第一电路并且部分地围绕电缆内的所述第一电路。

16.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述电磁装置包括：

第一层；

第二层；

其中所述第二层在所述第一层上方或下方；

其中所述第一电路在所述第一层内；并且

其中所述阻尼电路在所述第二层内。

17.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，另外包括第三电路，所述第三电路被配置成产生第三电磁场；

其中所述第二电路也响应于所述第三电磁场；

第二阻尼电路，所述第二阻尼电路被配置成响应于由所述第三电磁场诱发的电流产生第四电磁场；并且

其中所述第四电磁场降低所述第二电路对所述第三电磁场的响应性。

18.根据权利要求1所述的装置：

其特征在于，所述电磁装置是至少以下之一：电子通信装置；集成电路；智能电话；佩戴式装置；助听器；或智能手表。