探索快樂媽咪胎語儀安全性的硬體設計

2025-01-24 23:32:10

    泡泡網前沿電子頻道12月24日 快樂媽咪胎語儀是針對母嬰市場的智能硬體產品,這個市場的消費者對於電磁輻射特別敏感,對於所使用產品的電磁幹擾和電磁輻射水平非常關注,因此快樂媽咪的設計團隊在電路設計以及產品用料上嚴謹認真,沒有絲毫妥協。電路設計和產品用料上的許多細節不被一般人關注，但正是這些超越極致的設計，使得快樂媽咪胎語儀這款智能硬體設備達到了零電磁輻射，完全消除了孕婦這個群體對電磁輻射的擔憂。

專利的接口電路隔絕來自手機的任何幹擾信號

    快樂媽咪胎語儀設計有專利的手機接口電路,通過設置屏蔽電纜和局部屏蔽及洩放元件進行保護。快樂媽咪胎語儀選用隔離性能好的元器件、優良的電源、電源線路和信號線走線更加合理，採用了導電、導磁性良好的材料進行屏蔽處理，以防止外界幹擾信號的影響。

    同時,快樂媽咪胎語儀加強了電源調整與保護: 電源波動造成電壓畸變或毛刺，將產生不良影響。對探頭等核心部件所需要的電源採用多級濾波處理，並用電壓調整器進行調整，以適應電壓的波動和過電壓、欠電壓的影響。

    快樂媽咪胎語儀電路布線時反覆推敲,使電源線平行走線，電源線對地呈低阻抗，以減少電源噪聲幹擾,也大大提高了系統抗電磁幹擾的能力,考慮到其屏蔽層接地方式不同，對幹擾抑制效果不一樣, 輸入、輸出線應用雙絞線且屏蔽層可靠接地,最大限度地抑制共摸幹擾。

    快樂媽咪胎語儀對於加強了信號線引入的防幹擾措施。通過半導體器件調製變換，然後進行隔離轉換，同時對隔離後信號的供電電源進行隔離處理。從而保證了快樂媽咪胎語儀變換後的信號、電源、地之間絕對獨立,有效地解決了幹擾問題。

    快樂媽咪胎語儀採用耳機音頻接口，不傳輸任何數位訊號，從根本上杜絕USB接口的數位訊號或藍牙接口或無線信號帶來的任何電磁輻射幹擾。

最大程度消除電磁幹擾

    快樂媽咪的全新PCB採用四層板設計，雙層屏蔽，良好的設計加上不妥協的用料做工，進一步的優化了走線，並且有了獨立的電源層和地層，使得數位訊號的高頻幹擾可以得到很大程度上的改善。

    快樂媽咪採用了成本高昂的四層PCB板，與類似產品採用的雙層板相比，它對電路板的電磁兼容起到了很大的改善。快樂媽咪胎語儀的四層設計電路板，中間層用作電源層和地層，這樣的做的好處有以下幾個方面：

1. 電源線和地線的電感量大大減小，從而降低了電源線和地線的噪聲電壓。

導線電感的計算公式：

    L=0.2S[ln(4.5/d)-1](uH)  
    S——導線長度
    d——導線直徑
    L——導線的電感量

    從式(1—1)中可以看出，導線的寬度可以影響電感，在四層板中，電源線和地線做為一個平面，導線的寬度是整個PCB所以電感量會大大降低。從這個公式也能看出，在高頻的情況下，導線的距離要儘可能的短，因為電感量和長度成線性比例關係,在四層板中地線與電源線在整層PCB分布,最短距離已至可以忽略。

2. 電源層和地層形成較大的分布電容，為電源提供了很好的高頻解耦作用，從而減小了電源線上的噪聲。

分布電容的計算公式，（平行板電容器）

    C=εS/4πkd
    ε­——為電介質常量
    S——為電容極板的面積
    K——為靜電力常量
    d­——為極板間的距離

    為了得到更好的解耦效果，電源層和地層之間使用介電常數高的絕緣介質。快樂媽咪胎語儀採用一種四功能(Tera-Function)的環氧樹脂加上填充劑(Filler)以及ROSH環保纖維所做出的複合材料為基材的PCB板。

3. 獨立的電、地層可以使所有的信號環路面積最小。

電源環天線在遠場區（D>λ/2π）的輻射特性

    H=Π*I*A/λ*λ*D (A/m)
    E= Z0*π*I*A/λ*λ*D (V/m)
    H——電流環輻射的磁場
    E——電流環輻射的磁場

    I—環路電流
    A—環路面積
    λ­——電流頻率對應的波長
    D——觀測點到電流環的距離
    Z0——自由空間的特徵阻抗。

    從上式可以看出，在遠場區，電場、磁場的輻射強度都隨頻率的平方增加，脈衝信號中包含了大量的高頻成分，輻射效率很高，減小環路面積可以有效使H、E減小。

快樂媽咪胎語儀電路板的疊層順序： 

    TOPLayer: 信號層，布元器件，並用GND整層覆銅；
    MidLayer1：中間層 本層主要布電源線和地線，並用GND整層覆銅；
    MidLayer2：中間層 本層主要布電源線和地線，並用VCC整層覆銅；
    BottomLayer：信號層，布適量貼片元器件，並用GND整層覆銅。

    PCB屬於模擬、數字混合系統，快樂媽咪胎語儀PCB設計基本採用大面積鋪地的方法。大面積鋪地的主要是主地層和表層地層，信號層不走線的位置也會鋪地。

快樂媽咪胎語儀在PCB設計時用一到兩層完整的地做主地層:

    為各個信號電源提供參考零電位
?  為各個信號、電源提供回流路徑
?  為射頻微帶線、帶狀線控制阻抗做參考平面
?  為關鍵信號做屏蔽作用
?  增加設備地的電荷容量，提高了抗靜電騷擾性能
?  降低個器件直接地直接的阻抗，提高了EMC性能等。

    快樂媽咪胎語儀四層PCB設計表層沒有較長的線，除器件外基本由大面積地覆蓋，表層地的作用一般為：形成一個「法拉第籠」，大大增強了抗外界騷擾特性，包括電磁騷擾和靜電騷擾等，整個PCBA相當於一個籠體，籠體是一個等位體，內部電勢為零，電場為零，騷擾電荷分布在表層地上。外層地也同時增加了設備地的電荷容量，進一步提高抗靜電騷擾性能。外層地同樣起一個電磁屏蔽作用，屏蔽內部數位訊號、數字時鐘、電源等產生的輻射，使這些輻射不至於幹擾到其自身容易受幹擾的電路（主要是射頻）和其它電子設備，提高電磁兼容性能。

    理論計算表明,快樂媽咪胎語儀所發生的電磁洩露或輻射甚至低於與城市生活的本底電磁輻射數值或者說基本湮沒於本底電磁輻射的背景之下。

    一般國內城市本底電磁輻射數值（處於城市郊區）的最低水平能達到: 電磁輻射綜合場強0.3V/m, 功率密度0.026 lw/cm2 （參見第22卷第5期2009年10月《汙染防治技術POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY》南京市環境監測中心站宋永忠等論文《南京市城區電磁輻射本底水平調查》。

實測結果

    實測結果表明採用市售的手持式電磁輻射測試儀(測試精度綜合場強1V/m ，功率密度10uw/cm2)的檢測結果為0, 可以看出測試數值已低於測試儀的最低靈敏度! 充分證明了快樂媽咪胎語儀針對電磁洩露以及電磁輻射的成功設計和生產。■