原创 克服USB-C射频干扰：从问题分析到解决实践

一、应用环境与客户需求

USB-C的问世不仅显著提升了USB装置的普及率和功能性，也连带对装置设计提高了要求。除了传统的即插即用特性和透过Windows OS提供的通用驱动程序外，USB-C还支持15W的供电与USB Power Delivery(USB PD)技术，进一步扩展了USB装置的应用范围，但这些增强的功能也引入了一些设计挑战，尤其在射频干扰(RFI)的管理方面。

USB-C的应用环境和需求

1.扩展功能和普及

USB-C的普及，主因能够提供更高的供电能力和数据传输速度。15W的供电能力使得更多设备能够藉由USB-C进行充电或供电，而USB PD技术则允许设备之间进行双向的供电和电量协商，进一步增强它的灵活性和通用性。此外，USB-C的多功能接口支援影片输出、音频传输等多种功能，从而应用在更多设备中。

2.设计上的挑战

具备更多功能和更高的性能，也使USB-C增加了设计的复杂性，特别是在与其他无线射频装置共同工作时，USB-C装置需要有效管理射频干扰，包括对USB装置本身的干扰以及与其他射频装置(如 Wi-Fi 和蓝牙设备)之间的干扰进行管理。

二、问题与难处

在USB-C问世之前，针对USB速度对无线射频装置的干扰问题并未受到足够重视，然而随着USB速度提升，尤其在5Gbps和10Gbps的运行模式下，这一问题变得更为明显。这种干扰主要表现在2.4 GHz和5 GHz的无线射频装置上，可能会导致USB装置性能下降，甚至瞬间断线。同时，无线射频装置也会受到干扰，造成性能下降、讯号范围缩小以及连接不稳定。

【问题描述】

百佳泰经手过一典型的实际案例，客户产品为一款配备USB-C接口、Wi-Fi和蓝牙功能的笔记本电脑，该型号支援的USB速度包括5Gbps和10Gbps，但当Wi-Fi和蓝牙功能启用时，笔记本电脑的USB-C接口性能显著下降，仅达到略高于USB 2.0(480Mbps)的传输速度，同时Wi-Fi和蓝牙的连接也变得不稳定，常出现延迟或瞬间断线，主要面对的问题跟挑战如下：

• 性能下降：在Wi-Fi和蓝牙启用的情况下，USB-C接口的实际传输速度大幅下降，从5Gbps或10Gbps降至接近USB 2.0的速度。不仅影响数据传输效率，也限制了高带宽应用的性能。
• 无线连接不稳定：Wi-Fi和蓝牙连接的不稳定性是另一个严重问题。当USB-C接口进行高速数据传输时，无线连接经常出现延迟或瞬间断线，对用户体验造成极大的困扰。
• 设计和兼容性问题：对于设计师和工程师来说，在设计和实施USB-C接口时，如何有效地管理和减少射频干扰是个巨大的挑战。尤其是在集成多种功能(如USB、Wi-Fi和蓝牙)的复杂系统中，要确保兼容性和稳定性变得更加困难。
• 应对策略和成本：针对上述问题，可能需要采取额外的设计和工程措施，如改进屏蔽和过滤设计、进行更严格的RFI测试等。这些措施会增加设计和生产成本，并且需要在产品开发早期就进行有效的测试和调整。

三、解决方案

针对该客户USB-C接口干扰无线射频讯号的问题，经由百佳泰分析发现了几个关键因素，并提出了对应的解决方案。

【问题分析】

1.阻抗不匹配和信号skew：

RFI测试失败的主要可能原因包括trace上组件的阻抗不匹配、PCB贯孔过多以及trace不等长。这些问题会导致信号skew，产生共模讯号，进而影响RFI测试结果。

2.USB-C设备的整体屏蔽不足：

USB-C设备的屏蔽设计未能有效阻挡讯号干扰，导致USB运行时对周围的无线射频装置造成干扰。

3.USB-C连接器的讯号外溢：

尽管USB-C连接器的屏蔽有所改进，但USB讯号仍可能从连接器的针脚之间外溢，干扰无线射频讯号，尤其在高速度模式（如 5Gbps 或以上）更为明显。

4.Wi-Fi和蓝牙天线走线过于接近PCB上的USB走线：

Wi-Fi和蓝牙的天线走线与PCB上的USB走线距离过近，造成了相互干扰，影响无线讯号的稳定性。

【解决方法】

我们依照问题的分析，提供以下建议给客户进行调整的参考。

✔改进屏蔽设计

目标：提升USB-C接口的屏蔽效果，减少对无线射频装置的干扰。

建议措施：

• 增强屏蔽材料：使用高效屏蔽材料包覆USB-C接口，减少外部干扰。
• 改进屏蔽结构：设计完善的屏蔽结构，与PCB良好接触并确保USB-C 接口的讯号不会轻易外泄。
• 增强接地：提高屏蔽结构的接地效果，强化USB-C的GND、减少PCB GND与USB-C GND之间的阻抗不匹配，降低干扰。

✔优化过滤措施

目标：在设计中添加过滤器，以抑制高频噪声和干扰。

建议措施：

• 添加EMI滤波器：在USB-C连接器及其相关讯号在线安装EMI滤波器，同时为trace Tx±配备CMCC（共模电感），以抑制Tx±产生的共模信号并减少高频噪声。
• 设计滤波电路：集成滤波电路，过滤掉不必要的高频讯号，降低对无线射频的干扰。

✔调整设计

目标：在产品设计中考虑USB-C和无线功能的协同工作，进行设计调整和优化。

建议措施：

• 合理布局天线：确保Wi-Fi和蓝牙天线与USB走线保持适当距离，避免干扰。
• 优化PCB布局与设计：合理规划USB和无线模块的位置，避免高频信号线与敏感讯号线过近。减少PCB贯孔数量，防止讯号skew导致共模讯号，并确保trace等长设计，以降低讯号skew。
• 设计隔离区域：为USB-C和无线模块设计隔离区域，减少相互干扰。

✔严格的RFI测试

目标：全面测试电磁干扰，确保 USB-C 接口高速传输不会干扰无线功能。

建议措施：

• 遵循标准测试程序：根据USB-IF的USB 3.2 RFI System-Level Test Procedure进行测试。
• 测试Compliance Mode：确保USB-C进入Compliance Mode，发出CP0 pattern，符合干扰标准。
• 进行迭代测试：多次RFI测试和调整，确保产品在实际使用中的可靠性。

客户根据上述建议进行修正后，产品成功通过了测试，并在实际使用中表现正常，解决了之前讯号干扰的问题，改进措施不仅提升了产品的性能和稳定性，也改善了用户的使用体验，确保USB-C设备在高速传输和无线功能协同工作时的良好表现。