CN111903075B - 改善近场链路的emi抑制 - Google Patents

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Abstract

对于近场通信，将耦合到每个通信电路的电感线圈靠近在一起，以使两个线圈之间存在电感耦合。然后可以在两个电路之间中继数据信号，而无需在它们之间进行任何直接连接。但是，系统容易受到共模噪声(例如环境EMI)的影响。除了用于发送和接收数据的“有源”线圈对之外，还提供一对靠近“有源”线圈对的“无源”线圈，它们仅用于检测环境EMI。由无源线圈检测到的EMI信号由噪声检测器/处理器处理，然后噪声检测器处理器控制发射器和/或接收器至少部分地补偿检测到的EMI信号。发射功率或接收器阈值可以由噪声检测器/处理器控制以改善信噪比，或者可以使用其他补偿技术。

Description

改善近场链路的EMI抑制
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求Kenneth G.Richardson于2018年3月23日提交的美国临时专利申请序列号62/647,464的优先权，该申请通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及使用近场RF彼此通信的电路，其在电路之间提供电流隔离，并且特别地，涉及减小共模噪声对通信质量的影响。
背景技术
在某些情况下，期望使两个电路彼此电隔离，同时使电路能够通信。可以这样做是为了使电路的接地相互隔离，或减少一个电路与另一个电路之间的噪声耦合，或用于其他目的。用于这种“电流隔离”的常用技术包括使用变压器或光链路。
变压器往往相对较大且昂贵。光学链路需要LED和光电探测器，这会增加电路的尺寸和成本。光学链路不易受到电磁干扰(EMI)的影响，但光电二极管检测器电路中的电子设备易受EMI的影响。连接器的屏蔽可以用来减轻环境EMI的影响，内部EMI屏蔽可以添加到封装中，但是这种屏蔽会增加成本。可以将用于滤除EMI的滤波器添加到接收器，但会增加信号延迟。
需要一种更紧凑和便宜的技术，以电隔离两个或更多个电路，例如集成电路(IC)封装内的独立管芯，或印刷电路板(PCB)上相互通信的独立电路，在存在EMI的情况下，通信链路非常可靠。
发明内容
本发明涉及安装在同一PCB上的电路之间的近场RF通信技术的改进。
对于近场通信，将耦合到每个电路的电感线圈靠近在一起，以使两个线圈之间存在电感耦合。然后可以在两个电路之间中继数据信号，而无需在它们之间进行任何直接连接。但是，由于电感耦合的性质，系统容易受到共模噪声的影响。此类噪声可能由高频开关电路或任何其他噪声源产生，从而导致EMI。如果足够强，这种噪声可能会导致信号损坏和/或数据错误。
当在电路之间使用近场通信时，本文描述了降低数据对由EMI引起的错误的敏感性的技术。
一种技术是提供彼此非常接近的电感线圈以改善磁性耦合。感应电压与传输距离的立方成反比。这是通过对导电材料(例如金属)的扁平螺旋线圈进行构图以形成被薄电介质(例如聚酰亚胺)隔开的重叠感应天线来完成的。因此，存在非常良好的磁性耦合和良好的信噪比。扁平线圈的重叠布置导致小尺寸。
第二种技术是提供一个附加的近场天线，该天线与用于通信电路的天线相同，仅用于检测EMI的水平。此添加的“无源”EMI检测电路靠近在同一PCB上相互通信的“有源”电路，因此检测到的EMI将与所有通信电路所经历的EMI相同。一旦由EMI检测电路检测到EMI的水平，则EMI检测电路可以控制通信电路的接收器以设置最优阈值，以确定确定所发送的数字信号是一还是零。
EMI检测电路还可以控制发射器的输出功率以在存在相对较高的EMI信号的情况下增加。
还可以从接收到的数据信号波形中减去检测到的EMI信号波形，以抵消数据路径中的任何EMI信号。类似地，可以通过从传输的数据信号中减去检测到的EMI信号来进行预加重。
因此，通过使用上述技术的任意组合，可以使用廉价且紧凑的近场RF隔离来隔离具有非常好的噪声抑制的通信电路。该技术适用于使用差分信号以及单端信号的电路。
附图说明
图1是包含两个管芯的IC封装的示意图，该两个管芯具有使用近场RF通信彼此通信的“有源”电路。封装中还包括一个EMI检测电路，可“被动”检测有源电路所经历的EMI，并基于检测到的EMI改善有源电路的信噪比。
图2示出了接收器的一部分，以及如何将检测到的共模EMI信号用于抵消数据信号的EMI分量，以及如何控制接收器的阈值。
图3示出了类似于图2的接收器部分，但是减去了EMI感测线圈和有源接收器线圈两端的信号以保持相位相干性。
图4示出了发射器的一部分以及所检测到的共模EMI信号如何可用于补偿数据信号的EMI分量，以及还用于控制发射器的输出功率。
图5说明了一个有源电路的差分数据系统，其中EMI检测电路使用相同的近场天线结构来检测有源电路所经受的EMI，并基于检测到的EMI改善有源电路的信噪比。
图6示出了在实施例中用作近场感应天线的扁平螺旋线圈。
图7是用于所有电路的近场天线系统的剖视图，其中一对相同的线圈重叠并被薄的电介质隔开。
图8是流程图，总结了用于基于检测到的EMI来改善数据信号的信噪比的技术。
在各个实施例中，用相同数字标记的元件可以是相同或等同的。
具体实施方式
图1示出了包含两个管芯12和14的IC封装10。封装10具有用于连接至印刷电路板的端子。两个管芯12和14包括需要在管芯12和14之间通信的任何电路。尽管也可以传递模拟信息，但是在实施例中假定数字数据。
在管芯12和14中，对于四个通信信道，仅示出了发射器和接收器，因为在管芯中产生基带数据的其他电路可以是用于任何应用的任何常规电路。有源发射器16和16A以及有源接收器18和18A在裸片12中，有源发射器20和20A以及有源接收器22和22A在裸片14中。可以存在更多或更少的通信信道。发射器和接收器也可以是收发器，其中发射和接收功能使用相同的天线。发射器可以接收基带数据并调制RF载波，例如以大约500MHz的频率。调制信号可以被放大。
尽管图1示出了单个封装中的管芯12和14，但是管芯12和14可以处于安装在印刷电路板上的单独的封装中。
还示出了仅接收EMI信号的无源电路，其包括接收器24和24A。
四个通道通过近场RF通信进行通信，从而使封装10中的两个焊盘之间不存在直接的电子连接(贴装管芯的金属引线框架的平坦区域)。这使得与管芯12和14的桨片相关联的接地是独立的，并且有助于防止在封装的一侧产生的噪声(诸如开关噪声)耦合到封装的另一侧的电路。封装10中可能存在彼此通信的附加IC。存在电流隔离电路的其他原因。
每个发射器连接到基本相同的电感线圈26、26A、28B和28C，并且每个接收器连接到基本相同的电感线圈28、28A、26B和26C。接收线圈和发送线圈对非常接近，并在同一基板上制造，以实现良好的磁性耦合。稍后参考图6和7详细描述这种线圈。在一个实施例中，线圈对中的两个线圈是扁平的金属螺旋，它们重叠并被薄的电介质隔开。
所有线圈都在封装10内，并通过键合线或金属迹线连接到管芯12和14。如果管芯12和14处于单独的封装中，则线圈可以是安装在印刷电路板上的外部模块。
每个管芯12和14具有耦合到相应线圈的端部的输出焊盘，用于提供通过线圈的电流以发送调制数据信号，或者用于接收在成对的相关线圈中感应的电压以接收调制数据信号。在一实施例中，载波为13.56MHz。载波频率可以高得多，并且可以使用任何类型的调制(例如，AM，FM等)。
近场通信的一个问题是它对EMI敏感。任何一个线圈都可以接收环境EMI，并且EMI波形与数据波形结合在一起。如果EMI足够强，则数据信号将被破坏，从而产生错误。尽管对封装和线圈进行屏蔽可以降低线圈接收的EMI，但这种屏蔽非常昂贵，而且体积较大。
图1的系统包括无源电路，该无源电路仅使用基本上与有源电路的发射和接收线圈(例如，线圈26和28)相同的线圈30和32来接收EMI信号。因此，因为无源线圈30和32靠近同一封装中的所有其他电路并且具有相同的设计，无源线圈30和32接收到的EMI信号应与所有有源线圈接收到的EMI信号大致相同。
所有线圈都应以相同的方式端接以匹配阻抗，以最大程度地提高效率，例如通过连接到封装接地的常规电容器/电阻器网络。
当系统运行以在管芯12和14之间产生并传送调制数据时，包括无源线圈30和32以及接收器24和24A的无源EMI检测电路接收由所有其他线圈接收的相同的EMI信号。所接收的EMI信号由相关的共模(CM)噪声检测器/处理器34和34A处理。检测器/处理器34和34A可以确定EMI信号的RMS功率，或者测量EMI信号的峰值幅度，或者确定所接收的EMI信号的其他特性。EMI信号的特定检测和处理取决于设计人员如何针对检测到的EMI补偿接收器和/或发射器。这样的电路设计完全在本领域技术人员的技术范围内。然后，检测器/处理器34和34A将EMI波形和/或检测到的EMI特性施加到各种有源发射器和有源接收器，以减轻EMI信号对数据通信的影响。
在图1所示的例子中，检测器/处理器34和34A在线路38和38A上产生输出功率控制信号，以最佳地控制有源发射器16、16A、20和20A的输出功率。这可以仅控制输出已调制数据信号的功率放大器。到功率放大器的输入信号的大小也可以被控制。当检测到的EMI信号较高时，功率控制信号会增加发射器的输出功率，从而提高信噪比。
另一种技术是提高或降低有源接收器的阈值，其中阈值确定接收到的解调信号是逻辑一还是逻辑零。在存在强共模噪声的情况下，将提高阈值以防止接收器指示噪声尖峰为数据。阈值的这种控制由检测器/处理器34和34A在线路40和40A上输出阈值控制信号示出。
图2示出了另一种技术，其中，在线圈30或32上检测到的EMI波形用于抵消有源接收器线圈26B、26C、28和28A之一上的接收信号的EMI分量。这样可以保持EMI波形和数据信号之间的相位相干性。图2示出了任何有源接收器的一部分。跨EMI感测线圈30或32的EMI信号被施加到放大器或缓冲器40，并且来自有源接收器线圈(例如，线圈28)的组合数据和EMI信号被施加到相同的放大器或缓冲器41。放大的信号加到求和器42的输入上，以从组合的数据/EMI波形中减去EMI波形，以抵消数据/EMI波形中的EMI成分。求和器42的输出于是仅是无噪声的数据信号。为了进一步降低EMI的影响，CM噪声检测器/处理器34或34A可以调整接收器的电压阈值44。将调整后的阈值施加到比较器46的一个输入，以与数据信号进行比较(假设使用幅度调制)，以确定该信号是逻辑1还是逻辑0。较高强度的EMI信号将导致阈值升高以避免比较器46的错误触发。因此，针对共模EMI补偿了比较器46的数字输出。
尽管图2的电路是用于单端数据的，但通过对正负数据通道进行补偿，可以容易地将电路修改为差分数据。
图3示出了类似于图2的接收器部分，但是EMI感测线圈和有源接收器线圈的两端的信号被减去以维持相位相干性。求和器47的四个输入信号可以根据需要放大或缓冲。可以使用缓冲来减少线圈上的负载。求和器47的输出是差分的，并且被施加到放大器48。放大器48的输出被施加到比较器46的输入，如关于图2所讨论的。
图4示出了每个发射器16、16A、20和20A的一部分，其中所感测的EMI信号被施加到放大器或缓冲器50的输入。放大器或缓冲器50的输出被施加到求和器52的一个输入。振幅检测器54产生与施加到发射线圈(例如，图1中的线圈26)的调制发射信号成比例的信号，并施加到求和器52的另一输入。振幅检测器54和放大器或缓冲器50向求和器52施加与两个信号各自的功率成比例的信号。因此，求和器52的输出幅度反映了EMI信号和发射器输出信号的相对功率水平。如果EMI信号相对较高，则求和器52的输出控制调制器或功率放大器56，以增加发射器的输出功率，以改善发射信号的信噪比。
在另一个实施例中，可以从基带数据信号中减去检测到的EMI波形，以对发射信号进行预加重，以抵消耦合到发射线圈26的EMI分量。
使用本文描述的技术可以实现信噪比的10-20dB的改善。性能改善多少取决于EMI信号的波长，如果距信号线圈(例如，图1中的线圈28)的距离(距EMI检测线圈30/32最远)大于距EMI检测线圈30/32约λ/20，则较短的波长可能会以不同的量影响接收器和发送器，其中λ是系统环境中EMI信号的最短有效分量的波长。
图5示出了使用两对线圈64和66的差分发射器60和接收器62，用于差分数据信号的近场通信。上面讨论的相同EMI补偿技术可以应用于差分系统。
图6是线圈68之一(例如，发射器线圈)的俯视图。所有线圈应与EMI检测线圈30/32基本相同。在一个实施例中，将一薄铜层层压在薄的(例如20微米)聚酰亚胺片69(图7)上，并蚀刻以形成具有适当匝数的扁平螺旋线圈。
如图7所示，基本上相同的线圈70(接收器线圈)被层叠到发射器线圈68上，或者简单地形成在聚酰亚胺片的相反侧。线圈的宽度可以小于一毫米。这样，两个线圈非常靠近，以实现出色的磁性耦合以实现高信噪比，并且该结构非常扁平，可重现且便宜。图7的线圈对可以是具有用于连接到封装10内的管芯12和14的引线的单独的管芯，或者图7的线圈对可以直接形成在管芯12和14中的一个或两个上。
发射和接收线圈可能具有不同的“匝数”。EMI检测线圈30/32应具有与发射和接收线圈相同的顶部和底部线圈，以检测与发射和接收线圈相同的EMI。
可以使用各种其他电路设计来实现本发明。
图8是总结以上描述的流程图。在步骤80中，将有源电路设置在一个或多个IC封装中，并使用近场RF来彼此通信。
在步骤82中，提供重叠的有源线圈以实现良好的磁性耦合和良好的信噪比。
在步骤84中，提供无源线圈(优选地基本上与有源线圈相同)，其接收由有源线圈接收的相同的EMI信号。
在步骤86中，处理由无源线圈检测到的EMI信号，以确定EMI信号的强度。
在步骤88中，基于从无源电路检测到的EMI信号，可以通过技术的任何组合来补偿接收和发送的信号的EMI。这些技术包括：1)改变接收器的阈值；2)改变发射器的输出功率；3)从接收到的数据或要发送的数据中减去EMI波形。
尽管已经示出并描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛方面的情况下，可以进行改变和修改，因此，所附权利要求书将在本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修改都包含在它们的范围内。

Claims (18)

1.一种用于近场RF通信的系统，包括：
用于传输数据的第一电路；
用于接收传输的数据的第二电路；
第一电磁干扰检测电路；
第一电感线圈，耦合到所述第一电路以使用近场通信来传输数据；
第二电感线圈，耦合到所述第二电路以使用近场通信来接收所述数据，所述第二电感线圈靠近所述第一电感线圈以在所述第二电感线圈和所述第一电感线圈之间磁性耦合；
第三电感线圈，耦合到所述第一电磁干扰检测电路以用于检测也被所述第一电感线圈或所述第二电感线圈接收的电磁干扰信号，
第四电感线圈，所述第三电感线圈靠近所述第四电感线圈以用于在所述第三电感线圈和第四电感线圈之间磁性耦合；和
耦合到所述第四电感线圈的第二电磁干扰检测电路，其中所述第二电磁干扰检测电路被配置为基于由所述第四电感线圈检测的电磁干扰信号来控制所述第一电路或所述第二电路中的至少一个以提高数据信号的信噪比；
其中所述第一电磁干扰检测电路被配置为基于由所述第三电感线圈检测到的电磁干扰信号来控制所述第一电路或所述第二电路中的至少一个，以改善数据信号的信噪比。
2.权利要求1所述的系统，其中所述第一电感线圈包括平坦的第一螺旋，并且所述第二电感线圈包括平坦的第二螺旋，其中所述第一螺旋和所述第二螺旋重叠并且被介电层隔开。
3.权利要求1所述的系统，其中当彼此靠近时，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈的物理和电气特性与所述第三电感线圈和所述第四电感线圈彼此靠近时的物理和电气特性相同。
4.权利要求3所述的系统，其中所述第一电感线圈和所述第二电感线圈都在封装中的第一芯片中，而所述第三电感线圈和所述第四电感线圈都在封装中的第二芯片中。
5.权利要求1所述的系统，其中所述第一电磁干扰检测电路沿着所述第一电路位于第一芯片上，并且所述第二电磁干扰检测电路沿着第二电路位于第二芯片上。
6.权利要求1所述的系统，其中所述第一电路包括发射器，并且所述第一电磁干扰检测电路基于检测的电磁干扰信号来控制所述发射器的输出功率。
7.权利要求1所述的系统，其中所述第二电路包括接收器，并且所述第一电磁干扰检测电路控制所述接收器的电压阈值，以确定传输的数据的二进制电平。
8.权利要求1所述的系统，其中所述第一电路包括发射器，并且所述第一电磁干扰检测电路基于检测的电磁干扰信号来补偿由所述发射器发送的数据信号。
9.权利要求1所述的系统，其中所述第二电路包括接收器，并且所述第一电磁干扰检测电路基于检测的电磁干扰信号来补偿接收的数据信号。
10.权利要求1所述的系统，其中所述第二电路包括求和器，用于接收来自所述第二电感线圈的信号并接收从所述第三电感线圈获得的信号，其中所述求和器的输出是来自所述第二电感线圈的信号和从所述第三电感线圈获得的信号之间的差，其中所述求和器的输出包括已至少部分补偿电磁干扰信号的数据信号。
11.权利要求1所述的系统，其中所述第一电路包括求和器，用于接收要传输的信号和接收从所述第三电感线圈获得的信号，其中所述求和器的输出是要传输的信号和从所述第三电感线圈获得的信号之间的差，其中所述求和器的输出包括用于所述第一电路的输出功率控制信号。
12.权利要求1所述的系统，其中所述第一电路传输单端数据信号，并且所述第二电路接收所述单端数据信号。
13.权利要求1所述的系统，其中所述第一电路传输差分数据信号，并且所述第二电路接收所述差分数据信号。
14.权利要求13所述的系统，还包括：
第四电感线圈，耦合到所述第一电路用于与所述第一电感线圈一起使用近场通信来传输所述差分数据信号；和
第五电感线圈，耦合到所述第二电路用于与所述第二电感线圈一起使用近场通信来接收所述差分数据信号，所述第四电感线圈靠近所述第五电感线圈用于在所述第四电感线圈和所述第五电感线圈之间磁性耦合。
15.一种系统执行的方法，包括：
通过第一电路传输数据；
通过第二电路接收传输的数据；
通过第一EMI检测电路检测电磁干扰EMI；
通过耦合到所述第一电路的第一电感线圈，使用近场通信来传输数据；
通过耦合到所述第二电路的第二电感线圈，使用近场通信来接收所述数据，所述第二电感线圈靠近所述第一电感线圈以在所述第二电感线圈和所述第一电感线圈之间磁性耦合；
通过耦合到所述第一EMI检测电路的第三电感线圈来检测EMI信号，其中所述EMI信号也被所述第一电感线圈或所述第二电感线圈接收，
通过所述第一EMI检测电路基于由所述第三电感线圈检测到的EMI信号来控制所述第一电路或所述第二电路中的至少一个，以改善数据信号的信噪比；
通过耦合到第二EMI检测电路的第四电感线圈来检测EMI信号，其中第三电感线圈靠近所述第四电感线圈以在所述第三电感线圈和所述第四电感线圈之间磁性耦合；和
通过所述第二EMI检测电路基于由所述第四电感线圈检测的EMI信号来控制所述第一电路或所述第二电路中的至少一个以提高数据信号的信噪比。
16.权利要求15所述的方法，其中所述第一EMI检测电路沿着所述第一电路位于第一芯片中，并且所述第二EMI检测电路沿着第二电路位于第二芯片中。
17.权利要求15所述的方法，其中当彼此靠近时，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈的物理和电气特性与所述第三电感线圈和所述第四电感线圈彼此靠近时的物理和电气特性相同。
18.一种用于近场RF通信的系统，包括：
第一构件，用于传输数据；
第二构件，用于接收传输的数据；
第三构件，用于检测电磁干扰EMI；
第一电感线圈，耦合到所述第一构件以使用近场通信来传输数据；
第二电感线圈，耦合到所述第二构件以使用近场通信来接收所述数据，所述第二电感线圈靠近所述第一电感线圈以在所述第二电感线圈和所述第一电感线圈之间磁性耦合；
第三电感线圈，耦合到所述第三构件以用于检测也被所述第一电感线圈或所述第二电感线圈接收的EMI信号，以及
第四电感线圈，所述第三电感线圈靠近所述第四电感线圈以用于在所述第三电感线圈和第四电感线圈之间磁性耦合；和
耦合到所述第四电感线圈的第四构件，其中所述第四构件被配置为基于由所述第四电感线圈检测的电磁干扰信号来控制所述第一构件或所述第二构件中的至少一个以提高数据信号的信噪比；
其中所述第三构件被配置为基于由所述第三电感线圈检测到的EMI信号来控制所述第一构件或所述第二构件中的至少一个以改善数据信号的信噪比。
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