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产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

发布时间:2019-10-19来源:迈肯思关键词标签: EMC 连接器 电缆 接口电路

一、电缆是系统的最薄弱环节

据统计,90%的EMC问题是电缆造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线,同时也是干扰传导的良好通道。电缆产生的辐射尤其严重。电缆之所以会辐射电磁波,是因为电缆端口处有共模电压存在,电缆在这个共模电压的驱动下,如同一根单极天线,如图1所示。

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

图1 电缆共模辐射模型

它产生的电场辐射为:

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

式中,I为电缆中的由于共模电压驱动而产生的共模电流强度;L为电缆的长度;f为共模信号的频率;r为观测点到辐射源的距离。

要减小电缆的辐射,可以减小高频共模电流强度,缩短电缆长度。电缆的长度往往不能随意减小,控制电缆共模辐射的最好的方法是减小高频共模电流的幅度,因为高频共模电流的辐射效率很高,是造成电缆超标辐射的主要因素。使用屏蔽电缆也许能够解决电缆辐射的问题,但是在使用屏蔽电缆的情况下,屏蔽层合理地接地是解决电缆EMC问题的关键。“Pigtail”、不正确的接地点选择等问题都将使屏蔽线出现EMC问题。

另外,电缆的布置也对产品EMC产生重大的影响,电缆之间的耦合、电缆布线形成的环路都是电缆EMC设计的重要部分。

二、接口电路是解决电缆辐射问题的重要手段

减小电缆上共模高频电流的一个有效方法是合理地设计电缆端口的接口电路或在电缆的端口处使用低通滤波器或抑制电路,滤除电缆上的高频共模电流,如图2所示。

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

图2 线路板上的共模低通滤波器

接口电路与电缆在电路上直接相连,接口电路是否进行了有效的EMC设计,直接关系到整机系统是否能通过EMC测试。接口电路的EMC设计包括接口电路的滤波电路设计和接口电路的保护设计。接口电路滤波设计的目的是减小系统通过接口及电缆对外产生的辐射,抑制外界辐射和传导噪声对整机系统的干扰;接口保护电路设计的目的是使电路可以承受一定的过电压、过电流的冲击。

接口滤波电路和防护电路设计应遵循下面的基本设计原则:

(1)滤波和防护电路对接口信号质量的影响满足要求。

(2)滤波和防护电路应根据实际需要设计,不能简单复制。

(3)需要同时进行滤波电路和防护电路时,应保证先防护后滤波的原则。

(4)接口芯片,包括相应的滤波、防护、隔离器件等,应尽可能沿信号流方向成直线放置在接口连接器处。

(5)接口信号的滤波、防护、隔离器件等尽可能靠近接口连接器处,相应的信号连接线必须尽可能短(符合工艺要求条件下的最短距离)。

(6)接口变压器要就近放置在连接器附近,通常在对应接口连接器3 cm以内。

(7)模拟信号接口和数字信号接口、低速逻辑信号接口和高速逻辑信号接口等(以敏感和干扰发射程度来区分),它们之间要间隔一定距离放置。当连接器之间存在相互干扰的可能时,必须采取隔离、屏蔽等措施。

(8)同一接口连接器里存在不同类型的信号时,必须用地针隔离这些信号,特别是对于一些比较敏感的信号。

(9)接口信号线布线的线宽应始终一致。对于高速信号线,如果走线有需要弯曲的地方,则应采用圆弧平滑弯曲布线。

(10)禁止在差分线和信号回线之间走其他信号线,差分对线对应的部分应平行、就近、同层布线,且布线的长度尽可能一致。

(11)若接口信号线较长(从驱动、接收器到接口连接器超过2.5 cm),应按传输线布线方法,使布线满足规定的特性阻抗。

(12)所有的信号布线不能跨平面布线,除非已经过隔离滤波器

(13)接口信号线和接口芯片,必须遵守供应厂商或标准的要求进行阻抗匹配、滤波、隔离、防护等。

(14)所有信号都要进行滤波处理,只要有一根信号线上有频率较高的共模电流,它就会耦合到连接到同一个连接器上的其他导线上,造成辐射。

三、连接器是接口电路与电缆之间的通道

连接器的主要作用是给电缆或接口电路提供一个良好的互连,并保证良好的接地。选用了一个不好的连接器也许会将前级滤波电路的效果毁于一旦,连接器要考虑阻抗匹配、针定义、接地接触特性等。连接器选择也要考虑ESD问题,如果是塑料封装的连接器,就要保证表面缝隙到内部金属导体之间有足够的空气间隙。有时安装在电路板上的接口滤波电路有一个问题就是经过滤波电路后的信号线在机箱内较长,容易再次感应上干扰信号,形成新的共模电流,导致电缆辐射。

再次感应的信号有两个来源,一个是机箱内的电磁波会感应到电缆上,另一个是滤波电路前的干扰信号会通过寄生电容直接耦合到电缆端口上。解决这个问题的方法是尽量减小滤波后暴露在机箱内的导线长度。带有滤波功能的连接器是解决这个问题的理想器件。滤波连接器的每个插针上有一个低通滤波器,能够将插针上的共模电流滤掉。这些滤波连接器往往在外形和尺寸上与普通连接器相同,可以直接替代普通连接器。由于连接器安装在电缆进入机箱的端口处,因此滤波后的导线不会再感应上干扰信号,如图3所示。

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

图3 滤波连接器能够防止滤波后的导线再次感应上干扰

如果选择了带滤波的连接器,就要保证滤波连接器有良好的接地特性。特别是对于含有旁路电容的滤波连接器(大部分都含有),由于信号线中的大部分干扰被旁路到地上,因此在滤波器与地的接触点上会有较大的干扰电流流过。如果滤波器与地的接触阻抗较大,会在这个阻抗上产生较大的电压降,导致严重的EMC问题。

以下几点是选择连接器的基本原则:

(1)接口信号连接器建议选用带屏蔽外壳的连接器,尤其是高频信号连接器。

(2)连接器的金属外壳应与机壳保持良好的电连续性,对于能够360°环绕的连接器,则必须360°环绕连接,而且通常连接阻抗要小于1 mΩ。

(3)对于不能进行360°环绕连接的连接器,则建议采用外壳四周有向上簧片的连接器,而且簧片必须有足够的尺寸和性能(弹性),以保持与机壳间有良好的电连接。

(4)滤波连接器对产品EMC性能往往有很大的帮助,但其成本比较高,通常在采用板内滤波、电缆屏蔽等方法能解决问题的情况下,就不采用滤波连接器。滤波连接器通常用在一些特殊的情况下,如严格的军标要求、恶劣工业环境的小批量应用及一些特殊情况下的运用等(如结构尺寸限制等)。

(5)屏蔽线的屏蔽层要尽可能与接插件外壳保持360°的连接。对于做不到这一点的接口,通常有其他对应的措施来保证接口的EMC性能。

(6)如果连接器安装在线路板上,并且通过线路板上的地线与机箱相连,则要注意为连接器提供一个干净的地,这个地与线路板上的信号地分开,仅通过一点连接,并且要与机箱保持良好的搭接。

四、PCB之间的互连是产品EMC的最薄弱环节

EMI问题常常因为高速、高边沿信号的互连而变得更为复杂,因此互连的过程通常伴随着串扰和地参考电平的分离,一个没有屏蔽或良好地平面的互连连接器,其间信号线之间的串扰要远比多层PCB中信号线之间的串扰大;互连连接器针脚的寄生电感造成的不同子系统之间的地阻抗,及其带来的“0 V”参考点之间的压差也要远比PCB中大(由于在各种不同结构的“0V”参考点(地)之间会产生压降,作为一个常用的参考电压,这个压降是有一定的限制。这种压降在同一个PCB上要比在通过电缆连接不同的PCB上容易控制得多,因为通过电缆连接这种物理结构对外界有更高的感应)。

在已经决定采用互连的产品系统中,互连连接器中信号之间的串扰和互连地(“0V”)阻抗,将是EMC设计的重点。

(1)如果地针较少,那么信号的RF回路较大,产生较大的差模辐射(尽管有时候差模辐射并不是导致产品辐射超标的主要因素)。

(2)如果不能保证每个信号线旁都至少有一个地针,那么不同信号之间容性耦合和感性耦合引起的串扰也将加剧。

(3)如果地针较少,其地针引起的总体等效寄生电感也较大,RF回流将产生较高的共模压降,即在两块被互连的PCB之间就会有高频RF电压存在(除非有其他额外措施),高频RF电压在设备间就会产生共模电流,引起电流驱动模式的共模辐射,加重产品系统整体辐射和传导发射。

(4)即使地针足够,解决的往往也只是互连信号之间的串扰问题。如图4插板结构产品互连示意图所示。这种产品的机械结构架构中,通常高速总线位于背板中,并与插板互连。如果没有额外的改进措施,那么插板与背板之间形成的共模电压UCM将是该产品形成EMI问题的主要原因,互连导致的共模辐射原理图如图5所示。

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

图4 插板结构产品互连示意图

产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

图5 互连导致的共模辐射原理图

产品内部互连连接器或互连电缆也是影响产品抗干扰能力的主要原因。因为互连连接器或互连电缆的寄生电感而导致在高频下的高阻抗。当进行类似BCI、EFT/B,ESD抗扰度测试时,测试时产生的共模瞬态干扰电流会流过互连连接器中或互连电缆的地(“0V”)线,由于互连连接器或互连电缆中地线的阻抗,必然会在互连连接器中的地线上产生共模压降,如果互连连接器或互连电缆中地线的两端的压降 ΔUZ0V超过了互连连接器或互连电缆两端电路的噪声容限,就会产生错误。

因此,进行产品设计时,避免互连连接器或互连电缆中有共模干扰电流流过是解决产品内部互连EMC抗扰度问题的第一步。

当产品机械构架不能避免共模干扰电流流过互连连接器或互连电缆时,产品内部互连设计应该考虑如下几点。

(1)有共模瞬态干扰电流流过互连连接器和互连电缆时,建议采用金属外壳的互连连接器,电缆采用屏蔽电缆,而且连接器的金属外壳与电缆的屏蔽层在电缆的两端进行360°搭接,并将互连信号中的“0 V”工作地与连接器的金属外壳在PCB的信号输入/输出端直接互连。在不能直接互连时,通过旁路电容互连。对于接地设备,要将金属板接大地。这样做的目的是为了使引导共模瞬态干扰电流从互连连接器的外壳和电缆的屏蔽层流过,避免共模干扰电流流过互连连接器和互连电缆中的高阻抗线缆而产生瞬态压降。

(2)如果只采用非金属外壳互连连接器和非屏蔽电缆(如非屏蔽带状电缆),那么建议采用一块额外的金属板连接在互连连接器和非屏蔽电缆的两端,并将互连信号中的“0 V”工作地与金属板在PCB的信号输入/输出端直接互连。在不能直接互连时,通过旁路电容互连。对于接地设备,要将金属板接大地。

(3)在(1)、(2)所述方式都不可行的情况下,必须将所有互连的设备进行滤波处理。

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