- 認(rèn)識射頻干擾源
- 討論連接器的射頻干擾和噪聲
- 將去耦電容設(shè)置在緊挨負(fù)載處
- 連接器與機(jī)殼實(shí)現(xiàn)低阻抗搭接
射頻干擾源
當(dāng)今,電子系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為幾百兆赫,所用脈沖的前后沿在亞納秒范圍。網(wǎng)絡(luò)接口傳輸數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s和155與622Mbit/s(ATM-異步傳輸模)。高質(zhì)量視頻電路也用以亞納秒級的象素速率。這些較高的處理速度表示了工程上受到不斷的挑戰(zhàn)。
這樣的挑戰(zhàn)之一是射頻(RF)干擾,這是由于電磁能量的快速變化引起的。電路上振蕩速率變得更快(上升/下降時(shí)間),電壓/電流幅度變得更大,問題變得更多。因此,今天同以前相比,解決電磁兼容性(EMC)就更艱難了。
在電路的兩個(gè)波節(jié)之前,快速變化的脈沖電流,表示了所謂差模噪聲源,電路周圍的電磁場可以耦合到其它元件上和侵入連接部分。經(jīng)感性或容性耦合的噪聲是共模干擾。射頻干擾電流是彼此相同的,系統(tǒng)可以建模為:由噪聲源、“受害電路”或“接受者”和回路(通常是底板)組成。用幾個(gè)因素來描述干擾的大小:
●噪聲源的強(qiáng)度
●干擾電流環(huán)繞面積的大小
●變化速率
于是,盡管在電路中有很可能產(chǎn)生不希望的干擾,噪聲幾乎總是共模型的。一旦在輸入/輸出(I/O)連接器和機(jī)殼或地平面之間接入電纜,有某些RF電壓出現(xiàn)時(shí),導(dǎo)致幾毫安的RF電流就能足以超過允許的發(fā)射電平。
噪聲的耦合和傳播
共模噪聲是由于不合理的設(shè)計(jì)產(chǎn)生的。有些典型的原因是不同線對中個(gè)別導(dǎo)線的長度不同,或到電源平面或機(jī)殼的距離不同。另一個(gè)原因是元件的缺陷,如磁感應(yīng)線圈與變壓器,電容器與有源器件(例如應(yīng)用特殊的集成電路(ASIC))。
磁性元件,特別是所謂“鐵芯扼流圈”型貯能電感器,是用在電源變換器之中的,總是產(chǎn)生電磁場。磁路中的氣隙相當(dāng)于串聯(lián)電路中的一個(gè)大電阻,那兒要消耗較多的電能。于是,鐵芯扼流圈,繞制在鐵氧體棒上,在棒周圍產(chǎn)生強(qiáng)的電磁場,在電極附近有最強(qiáng)的場強(qiáng)。在使用回描結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源中,變壓器上必定有一個(gè)空隙,其間有很強(qiáng)的磁場。在其中保持磁場最合適的元件是螺旋管,使電磁場沿管芯長度方向分布。這就是在高頻工作的磁性元件優(yōu)選螺旋結(jié)構(gòu)的原因之一。
不恰當(dāng)?shù)娜ヱ铍娐吠ǔR沧兂筛蓴_源。如果電路要求大的脈沖電流,以及局部去耦時(shí)不能保證小電容或十分高的內(nèi)阻需要,則由電源回路產(chǎn)生的電壓就下降。這相當(dāng)于紋波,或者相當(dāng)于終端間的電壓快速變化。由于封裝的雜散電容,干擾能耦合到其它電路中去,引起共模問題。
當(dāng)共模電流污染I/O接口電路時(shí),該問題必須解決在通過連接器之前。不同的應(yīng)用,建議用不同的方法來解決這個(gè)問題。在視頻電路中,那兒I/O信號是單端的,且公用同一共同回路,要解決它,用小型LC濾波器濾掉噪聲。在低頻串聯(lián)接口網(wǎng)絡(luò)中,有些雜散電容就足夠?qū)⒃肼暦至鞯降装迳?。差分?qū)動的接口,如以太,通常是通過變壓器耦合到I/O區(qū)域,是在變壓器一側(cè)或兩側(cè)的中心抽頭提供耦合的。這些中心抽頭經(jīng)高壓電容器與底板相連,將共模噪聲分流到底板上,以使信號不發(fā)生失真。
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在I/O區(qū)域內(nèi)的共模噪聲
沒有一個(gè)通用辦法來解決所有類型的I/O接口的問題。設(shè)計(jì)師們的主要目標(biāo)是將電路設(shè)計(jì)好,而常常忽略了一些視為簡單的細(xì)節(jié)。一些基本法則能使噪聲在到達(dá)連接器以前,降至最?。?br />
1)將去耦電容設(shè)置在緊挨負(fù)載處。
2)快速變化的前后沿的脈沖電流,其環(huán)路尺寸應(yīng)最小。
3)使大電流器件(即驅(qū)動器和ASIC)遠(yuǎn)離I/O端口。
4)測定信號的完整性,以保證過沖和下沖最小,特別是對于大電流的關(guān)鍵性信號(如時(shí)鐘,總線)。
5)使用局部濾波,如RF鐵氧體,可吸收RF干擾。
6)提供低阻抗搭接到底板上或在I/O區(qū)域的基準(zhǔn)在底板上。
射頻噪聲和連接器
即使工程師采取許多上述所列的預(yù)防措施,來減小在I/O區(qū)內(nèi)的RF噪聲,還不能保證這些預(yù)防措施能否成功地足夠滿足發(fā)射要求。有些噪聲是傳導(dǎo)干擾,即在內(nèi)部電路板上按共模電流流動。這個(gè)干擾源是在底板和電路等之間。于是,這個(gè)RF電流一定通過最低阻抗(在底板和載信號線之間)的通路流動。如果連接器沒呈現(xiàn)足夠低的阻抗(與底板的搭接處),這RF電流經(jīng)雜散電容流動。當(dāng)這RF電流流過電纜時(shí),不可避免地產(chǎn)生發(fā)射(圖1A)。
圖1 RF噪聲為何到達(dá)電纜
使共模電流注入到I/O區(qū)的另一機(jī)理,是附近有強(qiáng)的干擾源的耦合。甚至有些“屏蔽”連接器也無用,因?yàn)楦蓴_源就在連接器附近,如PC機(jī)環(huán)境。如果在連接器和底板之間有一個(gè)缺口,此處所感應(yīng)的RF電壓可以使EMC性能下降(圖1B)。
圖2 連接器設(shè)計(jì)選擇
屏蔽連接器方法有,加指形簧片或墊片。連接器的搭接,是在連接器和機(jī)殼之間填滿空處。這個(gè)方法要求有一個(gè)襯墊(圖2A)。金屬襯墊較好,只要處理合適,也就是說,只要表面不被污染,只要手不觸及或損壞襯墊以及只要有足夠的壓力,以保持好的、低阻抗的接觸。
別的方法是連接器裝接頭片或者把連接器安裝在機(jī)殼上。此時(shí),最大接觸面稍微小些,且應(yīng)嚴(yán)格控制接頭片的尺寸和彈性。安裝屏蔽連接器時(shí),在機(jī)殼上開口,開口的一側(cè)要去掉油污(圖2B),要仔細(xì)制作,若公差不合適,導(dǎo)致連接器在機(jī)殼內(nèi)陷入太深,使搭接中斷。每位EMC工程師知道,在“極好”的系統(tǒng)當(dāng)中,這個(gè)問題一定要滿足發(fā)射要求,并在生產(chǎn)線及時(shí)檢查。未緊固的或彎曲的襯墊,安裝于關(guān)鍵區(qū)域(如安裝連接器的開口)的油污上,將失效。
由于下述原因選用了EMI連接器;
1)導(dǎo)電發(fā)泡塑料是極其柔軟的,且能放在連接器的整個(gè)周圍。這就消除了與另一機(jī)殼、襯墊有關(guān)的問題。
2)機(jī)械工程師可以在系統(tǒng)機(jī)殼可接收的公差范圍內(nèi)安裝連接器。
3)連接器與機(jī)殼實(shí)現(xiàn)低阻抗搭接,以保證良好接觸。機(jī)殼壁內(nèi)側(cè)上的襯墊,當(dāng)要涂漆有遮蔽要求時(shí),可以用更柔軟的材料。
4)要求強(qiáng)迫冷卻的設(shè)計(jì),襯墊最好有另一特點(diǎn):連接器和機(jī)殼壁之間的縫應(yīng)密封起來,以減少氣漏。在有塵埃的環(huán)境中,襯墊要起到系統(tǒng)內(nèi)保持干凈。
結(jié)論
當(dāng)前市場上有各種各樣的連接器,能使設(shè)計(jì)師為特殊接口,獲得最佳設(shè)計(jì)。