當今,電子係統的時鍾頻率為幾(jǐ)百兆赫,所用(yòng)脈衝(chōng)的前後沿在亞(yà)納秒範圍,高質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。那麽如何預防和解決(jué)連接器電磁(cí)幹擾的問題(tí)值得(dé)我們關注。
電路上振蕩速率變得更快(kuài)(上升/下降時間),電壓/電流幅度變得更大,問(wèn)題變得更多。因此,今天同以前相比,解(jiě)決電磁兼容性(EMC)就更艱難了。
在電路的兩個波節之前,快速變化的脈衝電流,表示了所謂差模噪(zào)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。經感性或(huò)容(róng)性耦(ǒu)合的噪聲是共模幹擾。射頻幹擾電流(liú)是彼此相同的,係統可以建模為:由(yóu)噪聲源、“受害電路”或“接受者”和回路(通常是底(dǐ)板)組(zǔ)成。用(yòng)幾個因素來描述幹擾的大小:噪聲源的強度、幹擾電流環繞麵(miàn)積的大(dà)小、變化速(sù)率。
於是(shì),盡管在電路中有很可能產生不希望的幹擾,噪(zào)聲幾乎總是共模型的。一旦在輸入/輸出(I/O)連接器和機殼或地平麵之間(jiān)接入電(diàn)纜,有某些RF電(diàn)壓出現時,導(dǎo)致幾毫安的RF電流就能足(zú)以超過(guò)允許(xǔ)的發(fā)射電平。
噪聲的耦合和傳播
共模噪聲是由於不合理(lǐ)的設計產生的。有些典型的原因是不同線對中個別導線(xiàn)的長度不同,或到電源平麵或機殼的距離不同。另一個原因(yīn)是元件的缺陷(xiàn),如磁感應線圈與變壓(yā)器(qì),電容器與有源器件(例如應用特(tè)殊的集(jí)成電路(lù)(ASIC))。
磁性元件,特別是(shì)所謂“鐵芯扼流圈”型貯能電感器,是用在電源變換器之中的,總是產生電磁場。磁路中(zhōng)的氣隙相當於串聯電路中的一個大電阻,那兒要(yào)消耗較多的電能。
於是,鐵芯扼流圈,繞製在鐵氧體棒(bàng)上,在棒周圍產生強的電磁(cí)場,在電極(jí)附(fù)近有最強的場強。在使用回描結構的開關電源中,變壓器上必(bì)定有一個空隙, 其間有很強的(de)磁場。在其中(zhōng)保持磁場最合適的元件是螺旋管,使電磁(cí)場沿管芯長度方向分布。這就是在高頻工作(zuò)的磁性(xìng)元件優選螺旋結構的原因之一。
不恰當的去耦電路通常也變成幹擾源。如(rú)果電路要求大的脈衝電流,以及局部去耦時不能保證小電容或十(shí)分(fèn)高的內阻需要(yào),則(zé)由電(diàn)源回路產生的電壓就下降。這相(xiàng)當於(yú)紋波,或者相當於終端間的電(diàn)壓(yā)快速變化。由於封裝的雜散電容,幹擾能耦合到其它電路中去,引起共模問題。
當共模(mó)電流汙染I/O接口電路(lù)時,該(gāi)問題必須解決(jué)在通過連接器之前。不同的應用,建議用不同的(de)方法來解決這(zhè)個問題。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(yào)解決它(tā),用(yòng)小型LC濾波(bō)器濾掉噪聲。
在低頻串聯接口網絡中,有些雜散(sàn)電容就足夠將噪聲分流到底板上。差分驅(qū)動的接口,如以(yǐ)太,通常是通過變(biàn)壓器耦合到I/O區域(yù),是(shì)在變壓器一側或(huò)兩側的中心抽頭(tóu)提供耦合的。這些中心抽頭經高壓電容器與(yǔ)底板相連,將共模噪聲分流到底板上,以使信號不(bú)發生失真。
在I/O區域內的共模噪聲
沒(méi)有一個通用辦法來解決所有類型的I/O接口的問題。設計(jì)師們(men)的主要目標是將電路設計好,而常常(cháng)忽略了一些視為(wéi)簡單的細節。一些基本(běn)法則能使噪聲在(zài)到達連(lián)接器以前,降至最小:
1)將去耦電容設置在緊挨負載處。
2)快速變化的前後沿的脈衝電流,其環路尺寸應最小。
3)使大電流器件(即驅動器和ASIC)遠離I/O端口。
4)測定信號的完(wán)整(zhěng)性,以(yǐ)保(bǎo)證過衝和(hé)下衝最小,特別是對於大電流的關鍵性信號(如時鍾,總線)。
5)使(shǐ)用局部濾波(bō),如RF鐵氧體,可吸收RF幹擾。
6)提供低阻抗搭接到(dào)底板上或在(zài)I/O區域的基準在底板(bǎn)上。 射頻(pín)噪(zào)聲和(hé)連接器
即使工程師采取許多上述所列的預防(fáng)措施,來減小在I/O區內的RF噪聲,還不能保證這些預防措(cuò)施能否(fǒu)成功地足夠滿足發射要求。有些(xiē)噪聲是傳導幹擾,即在內部電路板(bǎn)上按共模電流流動。這個幹擾源是在(zài)底板和電路等之間。
於是,這個RF電流一定通過最低阻抗(在底板和載(zǎi)信號線之間)的通路流動。如果連接器沒(méi)呈現足夠低的阻抗(與底板的搭接(jiē)處(chù)),這RF電流經雜散(sàn)電容流動。當(dāng)這RF電流流過電纜(lǎn)時,不可避免地產生發(fā)射。
使(shǐ)共模電流注入到I/O區的另一機理,是附近有強的幹擾源的耦合。甚至有些(xiē)“屏蔽”連接器也無用(yòng),因為幹擾源就在連接器附近,如PC機環境。如果在連(lián)接器和底板之(zhī)間有一個缺口,此處所感應的RF電壓可以使(shǐ)EMC性能(néng)下降。
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(hé)機殼之間(jiān)填滿空處。這個方法要求有一個(gè)襯墊。金屬襯墊較好,隻要(yào)處理(lǐ)合適,也就是說,隻要(yào)表麵不被汙染(rǎn),隻要手不觸及或損壞襯墊以及(jí)隻要有足夠的壓力,以保持好的(de)、低阻抗的接觸。
別的方法是連接器裝接(jiē)頭片或者把連接器安裝在機殼上(shàng)。此時,最大接觸麵稍微小些,且應嚴格(gé)控(kòng)製接頭(tóu)片的尺寸和(hé)彈性。安裝屏蔽(bì)連接器時(shí),在機殼上開口,開口的一側要去掉油汙(wū),要仔細製作,若公差不合適,導致連接器在機殼內陷入太深,使搭(dā)接中(zhōng)斷。每位EMC工程師知(zhī)道,在“極好”的係統當中,這個問題一定要滿足發射要求,並(bìng)在生產線及時(shí)檢查。未緊固的或彎曲的襯(chèn)墊,安裝於關鍵區域的油汙上,將(jiāng)失效。
由於下述(shù)原因選用(yòng)了EMI連接器
1)導電發泡塑料是極其柔軟的,且(qiě)能放(fàng)在連接器的整個(gè)周圍。這就消除了與另一機殼、襯墊有關的問題。
2)機械工程師可以在係(xì)統機殼可接收的公差範圍(wéi)內安裝連接器。
3)連接器與機殼實現低阻抗搭接,以保證(zhèng)良(liáng)好接觸。機殼壁內側(cè)上(shàng)的襯(chèn)墊,當要塗漆有遮蔽(bì)要求時,可以用(yòng)更柔軟的材料。
4)要求強(qiáng)迫冷卻的設計,襯墊最好有另一特(tè)點:連接器和機(jī)殼壁之間的縫(féng)應密封起來,以減少氣漏。在有塵(chén)埃的環境中,襯墊要起到係(xì)統內(nèi)保持幹淨。
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