I/O電纜輻射發(fā)射問題的技術(shù)分析

對于連接的信號電纜,其信號導(dǎo)體通常由一個(gè)連接器聯(lián)到內(nèi)部電路上,注意這些導(dǎo)體上載有有用信號,其信號的頻率以及信號電平要很低,才不會有輻射發(fā)射問題。有很多種可能性,非故意的信號或是噪聲也會在同樣的導(dǎo)體上存在,只是信號的電平可能小的多。I/O驅(qū)動器線路可能會有內(nèi)部雜訊及噪聲耦合到I/O信號線上。產(chǎn)品機(jī)殼內(nèi)的電磁場可能會耦合到線路布線上,或是直接傳到連接器的信號引腳,從而傳到I/O信號上。高速時(shí)鐘信號也可能會串?dāng)_到I/O布線上,這有許多的可能。不管這些無用的信號是怎么耦合到I/O線纜上來的,都可以使用濾波器來降低這些無用信號的電壓幅值。一般來說如果這些雜訊噪聲電壓必須要低于0．1mV,這樣就可以通過相關(guān)的測試限制標(biāo)準(zhǔn)。

I/O濾波器示意圖

通常在信號電路上的濾波器是一個(gè)電容器件加在信號線與電路板的參考平面之間。如圖所示,上面電容濾波器的設(shè)計(jì)要讓功能上的有用信號通過,而將無用信號衰減掉。一個(gè)重要設(shè)計(jì)是,這個(gè)I/O信號線上的無用信號要相對于機(jī)殼做衰減,而不是相對于電路板的參考點(diǎn)做衰減。實(shí)際上是因?yàn)榉奖慵暗统杀镜脑?濾波器通常是設(shè)計(jì)在電路板上,因而所有的衰減是相對于電路板的參考點(diǎn)而不是直接對機(jī)殼。電路板的參考點(diǎn)與機(jī)殼間連接間的阻抗造成一個(gè)電壓降,因此就降低了濾波器的效果。

考慮到連接電感的I/O濾波器示意圖

在電路板參考點(diǎn)與機(jī)殼參考點(diǎn)之間的連接也是濾波器設(shè)計(jì)的一部分,此部分的電感量必須盡可能降低以確保濾波器能有效的工作。在高頻時(shí),DC直流的導(dǎo)電性不會有問題。要注意的是PCB參考點(diǎn)與機(jī)殼連接的電感量。即使是完美的導(dǎo)體都會有電感,也就是阻抗。一旦噪聲電流流過電感就會有電壓降。雜訊噪聲電壓降就會有效的驅(qū)動I/O線纜造成輻射。

在I/O連接器與金屬接線柱間的環(huán)路電感根據(jù)環(huán)路面積而決定,而非周邊距離。此電感量,也就是阻抗,會隨著金屬接線柱與連接器的距離增加而快速的增加。另一個(gè)考慮的點(diǎn)是PCB板的參考點(diǎn)與機(jī)殼接觸面的大小。部分的環(huán)路在PCB板上的參考面,另一部分在機(jī)殼。這兩個(gè)導(dǎo)體面積都很大,故有著很小的區(qū)域電感。而PCB板的參考點(diǎn)與機(jī)殼的連接面通常很小,所以其區(qū)域電感在整體電感上占了很大的部分,主導(dǎo)了整個(gè)路徑的阻抗。接觸介面因此是線纜與機(jī)殼間雜訊噪聲電位差的最大來源。

在高頻時(shí),電流只能在導(dǎo)體的表面流動,這稱之為集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)限制了電流能夠流過的區(qū)域,因而增加了區(qū)域電感的效應(yīng)。從這個(gè)分析來看,很明顯的接觸面的大小是很重要的。比如銅柱應(yīng)該要越粗越短才好。這樣可以減小銅柱的區(qū)域電感,因而也減小整體環(huán)路的電感。一種常見的方法是使用具有金屬彈片可同時(shí)接觸到機(jī)殼以及PCB板的參考地點(diǎn)的連接器。當(dāng)使用的金屬彈片夠多時(shí),電感就會降低。如果金屬彈片的接觸數(shù)量不夠,連接處的阻抗不夠低,則電位差就會產(chǎn)生了。在機(jī)殼與電路地之間就可能造成共模電壓。

信號連接電纜的輻射發(fā)射模型

按照前面的分析,假如是金屬機(jī)殼產(chǎn)品,產(chǎn)品的內(nèi)部或者是外部有一根信號連接線電纜,首先進(jìn)行電纜輻射的模型分析,在信號連接電纜靠近機(jī)殼的內(nèi)部有一個(gè)共模電壓,由于這個(gè)共模電壓的存在,就會形成一個(gè)共模電流,因此共模電流就會形成單偶極子天線對外輻射,這是電纜發(fā)射的機(jī)理。

當(dāng)信號線的長度小于1/4波長時(shí),可用E=1．26ILf/D(uV/m)來計(jì)算。當(dāng)信號線的長度大于1/4波長時(shí),計(jì)算公式就可以進(jìn)行簡化,利用更簡單計(jì)算公式

E=120I/D(uV/m)。因此,想要降低信號線電纜的輻射,就要減小其等效天線模型流過的共模電流,減小共模電流會有幾個(gè)方法:

1)減小圖中的共模電壓大小,電壓減小了,電流就會小。

2)增加共?；芈返淖杩?比如磁珠、共模電感的設(shè)計(jì)等等。當(dāng)共模電壓一定的時(shí)候阻抗越大共模電流也就越小,輻射發(fā)射就會越小。

3)改變共模電流的路徑。比如,使它的回路面積更小;回路面積小了它的輻射就越小。

4)減小其信號的地阻抗來減小對應(yīng)的共模激勵(lì)電壓。比如,PCB設(shè)計(jì)地走線設(shè)計(jì)優(yōu)化。