探析連接器的射頻幹擾和噪聲原理
發布時間:2018-06-07 責任編輯:lina
【導讀】當今,電子係統的時鍾頻率為幾百兆赫,所用脈衝的前後沿在亞納秒範圍。網絡接口傳輸數據速率為100Mbit/s和155與622Mbit/s(ATM-異步傳輸模)。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。
這樣的挑戰之一是射頻(RF)幹擾,這是由於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zai電dian路lu的de兩liang個ge波bo節jie之zhi前qian,快kuai速su變bian化hua的de脈mai衝chong電dian流liu,表biao示shi了le所suo謂wei差cha模mo噪zao聲sheng源yuan,電dian路lu周zhou圍wei的de電dian磁ci場chang可ke以yi耦ou合he到dao其qi它ta元yuan件jian上shang和he侵qin入ru連lian接jie部bu分fen。經jing感gan性xing或huo容rong性xing耦ou合he的de噪zao聲sheng是shi共gong模mo幹gan擾rao。射she頻pin幹gan擾rao電dian流liu是shi彼bi此ci相xiang同tong的de,係xi統tong可ke以yi建jian模mo為wei:由噪聲源、“受害電路”或“接受者”和回路(通常是底板)組成。用幾個因素來描述幹擾的大小:
●噪聲源的強度
●幹擾電流環繞麵積的大小
●變化速率
於是,盡管在電路中有很可能產生不希望的幹擾,噪聲幾乎總是共模型的。一旦在輸入/輸出(I/O)連接器和機殼或地平麵之間接入電纜,有某些RF電壓出現時,導致幾毫安的RF電流就能足以超過允許的發射電平。
噪聲的耦合和傳播
共gong模mo噪zao聲sheng是shi由you於yu不bu合he理li的de設she計ji產chan生sheng的de。有you些xie典dian型xing的de原yuan因yin是shi不bu同tong線xian對dui中zhong個ge別bie導dao線xian的de長chang度du不bu同tong,或huo到dao電dian源yuan平ping麵mian或huo機ji殼ke的de距ju離li不bu同tong。另ling一yi個ge原yuan因yin是shi元yuan件jian的de缺que陷xian,如ru磁ci感gan應ying線xian圈quan與yu變bian壓ya器qi,電dian容rong器qi與yu有you源yuan器qi件jian(例如應用特殊的集成電路(ASIC))。
磁性元件,特別是所謂“鐵芯扼流圈”型xing貯zhu能neng電dian感gan器qi,是shi用yong在zai電dian源yuan變bian換huan器qi之zhi中zhong的de,總zong是shi產chan生sheng電dian磁ci場chang。磁ci路lu中zhong的de氣qi隙xi相xiang當dang於yu串chuan聯lian電dian路lu中zhong的de一yi個ge大da電dian阻zu,那na兒er要yao消xiao耗hao較jiao多duo的de電dian能neng。於yu是shi,鐵tie芯xin扼e流liu圈quan,繞rao製zhi在zai鐵tie氧yang體ti棒bang上shang,在zai棒bang周zhou圍wei產chan生sheng強qiang的de電dian磁ci場chang,在zai電dian極ji附fu近jin有you最zui強qiang的de場chang強qiang。在zai使shi用yong回hui描miao結jie構gou的de開kai關guan電dian源yuan中zhong,變bian壓ya器qi上shang必bi定ding有you一yi個ge空kong隙xi,其qi間jian有you很hen強qiang的de磁ci場chang。在zai其qi中zhong保bao持chi磁ci場chang最zui合he適shi的de元yuan件jian是shi螺luo旋xuan管guan,使shi電dian磁ci場chang沿yan管guan芯xin長chang度du方fang向xiang分fen布bu。這zhe就jiu是shi在zai高gao頻pin工gong作zuo的de磁ci性xing元yuan件jian優you選xuan螺luo旋xuan結jie構gou的de原yuan因yin之zhi一yi。
buqiadangdequoudianlutongchangyebianchengganraoyuan。ruguodianluyaoqiudademaichongdianliu,yijijubuquoushibunengbaozhengxiaodianronghuoshifengaodeneizuxuyao,zeyoudianyuanhuiluchanshengdedianyajiuxiajiang。zhexiangdangyuwenbo,huozhexiangdangyuzhongduanjiandedianyakuaisubianhua。youyufengzhuangdezasandianrong,ganraonengouhedaoqitadianluzhongqu,yinqigongmowenti。
當共模電流汙染I/O接口電路時,該問題必須解決在通過連接器之前。不同的應用,建議用不同的方法來解決這個問題。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,要解決它,用小型LC濾lv波bo器qi濾lv掉diao噪zao聲sheng。在zai低di頻pin串chuan聯lian接jie口kou網wang絡luo中zhong,有you些xie雜za散san電dian容rong就jiu足zu夠gou將jiang噪zao聲sheng分fen流liu到dao底di板ban上shang。差cha分fen驅qu動dong的de接jie口kou,如ru以yi太tai,通tong常chang是shi通tong過guo變bian壓ya器qi耦ou合he到daoI/Oquyu,shizaibianyaqiyicehuoliangcedezhongxinchoutoutigongouhede。zhexiezhongxinchoutoujinggaoyadianrongqiyudibanxianglian,jianggongmozaoshengfenliudaodibanshang,yishixinhaobufashengshizhen。
在I/O區域內的共模噪聲
沒有一個通用辦法來解決所有類型的I/O接(jie)口(kou)的(de)問(wen)題(ti)。設(she)計(ji)師(shi)們(men)的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)標(biao)是(shi)將(jiang)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)好(hao),而(er)常(chang)常(chang)忽(hu)略(lve)了(le)一(yi)些(xie)視(shi)為(wei)簡(jian)單(dan)的(de)細(xi)節(jie)。一(yi)些(xie)基(ji)本(ben)法(fa)則(ze)能(neng)使(shi)噪(zao)聲(sheng)在(zai)到(dao)達(da)連(lian)接(jie)器(qi)以(yi)前(qian),降(jiang)至(zhi)最(zui)小(xiao):
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)測定信號的完整性,以保證過衝和下衝最小,特別是對於大電流的關鍵性信號(如時鍾,總線)。
5)使用局部濾波,如RF鐵氧體,可吸收RF幹擾。
6)提供低阻抗搭接到底板上或在I/O區域的基準在底板上。
射頻噪聲和連接器
即使工程師采取許多上述所列的預防措施,來減小在I/O區內的RF噪zao聲sheng,還hai不bu能neng保bao證zheng這zhe些xie預yu防fang措cuo施shi能neng否fou成cheng功gong地di足zu夠gou滿man足zu發fa射she要yao求qiu。有you些xie噪zao聲sheng是shi傳chuan導dao幹gan擾rao,即ji在zai內nei部bu電dian路lu板ban上shang按an共gong模mo電dian流liu流liu動dong。這zhe個ge幹gan擾rao源yuan是shi在zai底di板ban和he電dian路lu等deng之zhi間jian。於yu是shi,這zhe個geRF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。如果連接器沒呈現足夠低的阻抗(與底板的搭接處),這RF電流經雜散電容流動。當這RF電流流過電纜時,不可避免地產生發射(圖1A)。

圖1 RF噪聲為何到達電纜
使共模電流注入到I/O區的另一機理,是附近有強的幹擾源的耦合。甚至有些“屏蔽”連接器也無用,因為幹擾源就在連接器附近,如PC機環境。如果在連接器和底板之間有一個缺口,此處所感應的RF電壓可以使EMC性能下降(圖1B)。

圖2 連接器設計選擇
屏蔽連接器方法有,加指形簧片或墊片。連接器的搭接,是在連接器和機殼之間填滿空處。這個方法要求有一個襯墊(圖2A)。金屬襯墊較好,隻要處理合適,也就是說,隻要表麵不被汙染,隻要手不觸及或損壞襯墊以及隻要有足夠的壓力,以保持好的、低阻抗的接觸。
別bie的de方fang法fa是shi連lian接jie器qi裝zhuang接jie頭tou片pian或huo者zhe把ba連lian接jie器qi安an裝zhuang在zai機ji殼ke上shang。此ci時shi,最zui大da接jie觸chu麵mian稍shao微wei小xiao些xie,且qie應ying嚴yan格ge控kong製zhi接jie頭tou片pian的de尺chi寸cun和he彈dan性xing。安an裝zhuang屏ping蔽bi連lian接jie器qi時shi,在zai機ji殼ke上shang開kai口kou,開kai口kou的de一yi側ce要yao去qu掉diao油you汙wu(圖2B),要仔細製作,若公差不合適,導致連接器在機殼內陷入太深,使搭接中斷。每位EMC工程師知道,在“極好”的係統當中,這個問題一定要滿足發射要求,並在生產線及時檢查。未緊固的或彎曲的襯墊,安裝於關鍵區域(如安裝連接器的開口)的油汙上,將失效。
由於下述原因選用了EMI連接器:
1)導電發泡塑料是極其柔軟的,且能放在連接器的整個周圍。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統機殼可接收的公差範圍內安裝連接器。
3)連接器與機殼實現低阻抗搭接,以保證良好接觸。機殼壁內側上的襯墊,當要塗漆有遮蔽要求時,可以用更柔軟的材料。
4)要求強迫冷卻的設計,襯墊最好有另一特點:連接器和機殼壁之間的縫應密封起來,以減少氣漏。在有塵埃的環境中,襯墊要起到係統內保持幹淨。
結論
當前市場上有各種各樣的連接器,能使設計師為特殊接口,獲得最佳設計。
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