探索快乐妈咪胎语仪安全性的硬件设计

    泡泡网前沿电子频道12月24日 快乐妈咪胎语仪是针对母婴市场的智能硬件产品,这个市场的消费者对于电磁辐射特别敏感,对于所使用产品的电磁干扰和电磁辐射水平非常关注,因此快乐妈咪的设计团队在电路设计以及产品用料上严谨认真,没有丝毫妥协。电路设计和产品用料上的许多细节不被一般人关注，但正是这些超越极致的设计，使得快乐妈咪胎语仪这款智能硬件设备达到了零电磁辐射，完全消除了孕妇这个群体对电磁辐射的担忧。

专利的接口电路隔绝来自手机的任何干扰信号

    快乐妈咪胎语仪设计有专利的手机接口电路,通过设置屏蔽电缆和局部屏蔽及泄放元件进行保护。快乐妈咪胎语仪选用隔离性能好的元器件、优良的电源、电源线路和信号线走线更加合理，采用了导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。

    同时,快乐妈咪胎语仪加强了电源调整与保护: 电源波动造成电压畸变或毛刺，将产生不良影响。对探头等核心部件所需要的电源采用多级滤波处理，并用电压调整器进行调整，以适应电压的波动和过电压、欠电压的影响。

    快乐妈咪胎语仪电路布线时反复推敲,使电源线平行走线，电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰,也大大提高了系统抗电磁干扰的能力,考虑到其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样, 输入、输出线应用双绞线且屏蔽层可靠接地,最大限度地抑制共摸干扰。

    快乐妈咪胎语仪对于加强了信号线引入的防干扰措施。通过半导体器件调制变换，然后进行隔离转换，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。从而保证了快乐妈咪胎语仪变换后的信号、电源、地之间绝对独立,有效地解决了干扰问题。

    快乐妈咪胎语仪采用耳机音频接口，不传输任何数字信号，从根本上杜绝USB接口的数字信号或蓝牙接口或无线信号带来的任何电磁辐射干扰。

最大程度消除电磁干扰

    快乐妈咪的全新PCB采用四层板设计，双层屏蔽，良好的设计加上不妥协的用料做工，进一步的优化了走线，并且有了独立的电源层和地层，使得数字信号的高频干扰可以得到很大程度上的改善。

    快乐妈咪采用了成本高昂的四层PCB板，与类似产品采用的双层板相比，它对电路板的电磁兼容起到了很大的改善。快乐妈咪胎语仪的四层设计电路板，中间层用作电源层和地层，这样的做的好处有以下几个方面：

1. 电源线和地线的电感量大大减小，从而降低了电源线和地线的噪声电压。

导线电感的计算公式：

    L=0.2S[ln(4.5/d)-1](uH)  
    S——导线长度
    d——导线直径
    L——导线的电感量

    从式(1—1)中可以看出，导线的宽度可以影响电感，在四层板中，电源线和地线做为一个平面，导线的宽度是整个PCB所以电感量会大大降低。从这个公式也能看出，在高频的情况下，导线的距离要尽可能的短，因为电感量和长度成线性比例关系,在四层板中地线与电源线在整层PCB分布,最短距离已至可以忽略。

2. 电源层和地层形成较大的分布电容，为电源提供了很好的高频解耦作用，从而减小了电源线上的噪声。

分布电容的计算公式，（平行板电容器）

    C=εS/4πkd
    ε­——为电介质常量
    S——为电容极板的面积
    K——为静电力常量
    d­——为极板间的距离

    为了得到更好的解耦效果，电源层和地层之间使用介电常数高的绝缘介质。快乐妈咪胎语仪采用一种四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及ROSH环保纤维所做出的复合材料为基材的PCB板。

3. 独立的电、地层可以使所有的信号环路面积最小。

电源环天线在远场区（D>λ/2π）的辐射特性

    H=Π*I*A/λ*λ*D (A/m)
    E= Z0*π*I*A/λ*λ*D (V/m)
    H——电流环辐射的磁场
    E——电流环辐射的磁场

    I—环路电流
    A—环路面积
    λ­——电流频率对应的波长
    D——观测点到电流环的距离
    Z0——自由空间的特征阻抗。

    从上式可以看出，在远场区，电场、磁场的辐射强度都随频率的平方增加，脉冲信号中包含了大量的高频成分，辐射效率很高，减小环路面积可以有效使H、E减小。

快乐妈咪胎语仪电路板的叠层顺序： 

    TOPLayer: 信号层，布元器件，并用GND整层覆铜；
    MidLayer1：中间层 本层主要布电源线和地线，并用GND整层覆铜；
    MidLayer2：中间层 本层主要布电源线和地线，并用VCC整层覆铜；
    BottomLayer：信号层，布适量贴片元器件，并用GND整层覆铜。

    PCB属于模拟、数字混合系统，快乐妈咪胎语仪PCB设计基本采用大面积铺地的方法。大面积铺地的主要是主地层和表层地层，信号层不走线的位置也会铺地。

快乐妈咪胎语仪在PCB设计时用一到两层完整的地做主地层:

    为各个信号电源提供参考零电位
?  为各个信号、电源提供回流路径
?  为射频微带线、带状线控制阻抗做参考平面
?  为关键信号做屏蔽作用
?  增加设备地的电荷容量，提高了抗静电骚扰性能
?  降低个器件直接地直接的阻抗，提高了EMC性能等。

    快乐妈咪胎语仪四层PCB设计表层没有较长的线，除器件外基本由大面积地覆盖，表层地的作用一般为：形成一个“法拉第笼”，大大增强了抗外界骚扰特性，包括电磁骚扰和静电骚扰等，整个PCBA相当于一个笼体，笼体是一个等位体，内部电势为零，电场为零，骚扰电荷分布在表层地上。外层地也同时增加了设备地的电荷容量，进一步提高抗静电骚扰性能。外层地同样起一个电磁屏蔽作用，屏蔽内部数字信号、数字时钟、电源等产生的辐射，使这些辐射不至于干扰到其自身容易受干扰的电路（主要是射频）和其它电子设备，提高电磁兼容性能。

    理论计算表明,快乐妈咪胎语仪所发生的电磁泄露或辐射甚至低于与城市生活的本底电磁辐射数值或者说基本湮没于本底电磁辐射的背景之下。

    一般国内城市本底电磁辐射数值（处于城市郊区）的最低水平能达到: 电磁辐射综合场强0.3V/m, 功率密度0.026 lw/cm2 （参见第22卷第5期2009年10月《污染防治技术POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY》南京市环境监测中心站宋永忠等论文《南京市城区电磁辐射本底水平调查》。

实测结果

    实测结果表明采用市售的手持式电磁辐射测试仪(测试精度综合场强1V/m ，功率密度10uw/cm2)的检测结果为0, 可以看出测试数值已低于测试仪的最低灵敏度! 充分证明了快乐妈咪胎语仪针对电磁泄露以及电磁辐射的成功设计和生产。■