I/O電纜輻射發(fā)射問題的技術分析

對于連接的信號電纜,其信號導體通常由一個連接器聯(lián)到內(nèi)部電路上,注意這些導體上載有有用信號,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。高速時鐘信號也可能會串擾到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的測試限制標準。

I/O濾波器示意圖

通常在信號電路上的濾波器是一個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計要讓功能上的有用信號通過,而將無用信號衰減掉。一個重要設計是,這個I/O信號線上的無用信號要相對于機殼做衰減,而不是相對于電路板的參考點做衰減。實際上是因為方便及低成本的原因,濾波器通常是設計在電路板上,因而所有的衰減是相對于電路板的參考點而不是直接對機殼。電路板的參考點與機殼間連接間的阻抗造成一個電壓降,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

在電路板參考點與機殼參考點之間的連接也是濾波器設計的一部分,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,DC直流的導電性不會有問題。要注意的是PCB參考點與機殼連接的電感量。即使是完美的導體都會有電感,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。另一個考慮的點是PCB板的參考點與機殼接觸面的大小。部分的環(huán)路在PCB板上的參考面,另一部分在機殼。這兩個導體面積都很大,故有著很小的區(qū)域電感。而PCB板的參考點與機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,主導了整個路徑的阻抗。接觸介面因此是線纜與機殼間雜訊噪聲電位差的最大來源。

在高頻時,電流只能在導體的表面流動,這稱之為集膚效應。集膚效應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。從這個分析來看,很明顯的接觸面的大小是很重要的。比如銅柱應該要越粗越短才好。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接觸到機殼以及PCB板的參考地點的連接器。當使用的金屬彈片夠多時,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,首先進行電纜輻射的模型分析,在信號連接電纜靠近機殼的內(nèi)部有一個共模電壓,由于這個共模電壓的存在,就會形成一個共模電流,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)射的機理。

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

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)增加共模回路的阻抗,比如磁珠、共模電感的設計等等。當共模電壓一定的時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的共模激勵電壓。比如,PCB設計地走線設計優(yōu)化。