淺談PoC系統(tǒng)所需的電感器和靜噪對策解決方案

1什么是PoC（Power over Coax）？

PoC是Power over Coax的縮寫，是一種通過在信號電纜上疊加電源實現(xiàn)無需另外準備電源專用電纜的傳輸方法。PoC用于汽車和工業(yè)設(shè)備，在汽車中被用于ADAS和環(huán)視攝像頭，有助于簡化布線設(shè)計和減輕線束的重量。在工業(yè)設(shè)備中被用于外觀檢查攝像頭等。寬敞的生產(chǎn)線需要較長的電纜，但是通過使用PoC可以減少電纜數(shù)量并簡化布線。

傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)和PoC之間的區(qū)別

PoC系統(tǒng)應(yīng)用實例

2PoC所需的電路

PoC多用于SerDes接口，其中串行器和解串器通過同軸電纜連接。在該同軸電纜上，高頻信號和直流電流疊加在一起。在這種情況下，將配置偏置T電路，以防止高頻信號串入電源線中，或者直流電流流入解串器中。偏置T電路中使用了阻斷直流并同時使高頻通過的電容器，以及阻斷高頻并同時使直流通過的線圈。本文中將用于偏置T電路的電容器稱為偏置T電容器。

Bias-T電感器所需的特性

由于Bias-T電感器的作用是阻止交流電并通過直流電，因此該電感器必須具有高阻抗。如果阻抗過低，則交流信號成分會泄漏到電源線，并且沿同軸電纜傳輸?shù)男盘柍煞謺p。

關(guān)于Bias-T電感器所需要的特性
測量信號線的特性阻抗

我們調(diào)查了Bias-T電感器對信號線特性阻抗的影響。

將網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到配備了SerDes IC或Bias-T電路的基板上，并通過TDR法測量了特性阻抗。

測量信號線的特性阻抗

傳輸線的特性阻抗會根據(jù)基板的布線設(shè)計和元件的位置而變動。通過抑制這種變動并使之保持平滑，傳輸特性將得到改善。為了保持平滑，Bias-T電感器的阻抗必須足夠高。因為如果Bias-T電感器的阻抗較低，則傳輸線的特性阻抗將下降。右圖顯示了將Bias-T電感器替換為短路片的極端例子。可以確認特性阻抗從50歐姆迅速變化到0Ω。

3Bias-T電路對SI的影響

Bias-T電感器所需的特性-較廣的頻率范圍

理想的電感器阻抗會與頻率成比例增加，但實際的電感器卻并非如此。阻抗曲線呈拋物線形。

為了找出PoC用的Bias-T電感器需要在哪個頻率下具有較高的阻抗，我們在頻率軸上測量了SerDes的信號成分。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SerDes的信號分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，Bias-T電感器需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有高阻抗。

PoC系統(tǒng)（SerDes）的信號頻率成分測量方法

用于驗證的Bias-T電路的特性

由于單個普通電感器不能覆蓋較寬的頻率范圍，因此需要將具有不同自諧振頻率的多個電感器進行組合以覆蓋較寬的頻率范圍。另一方面，為Bias-T開發(fā)的電感器LQW32FT系列單體可覆蓋較寬的頻率范圍，因此可以減少電感器元件的數(shù)量。

測量SI

我們確認了多個電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異。

組合多個電感器時，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

信號線透射特性（S21）和反射特性（S11）

波形完整性的下降是由傳輸線的傳輸特性的劣化所導(dǎo)致的。

查看偏置T信號傳輸端的穿透特性S21，可知使用LQW32F系列時的特性更佳。
另外，反射特性S11也在使用LQW32FT系列時較為良好。

4電纜對SI的影響

測量系統(tǒng)

為了確認車載同軸電纜的特性對波形的影響，我們讓信號發(fā)生器的信號流過車載同軸電纜并用示波器觀察波形，同時通過S21測試了電纜的透射損耗特性。

電纜的透射損耗特性（S21）

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認S參數(shù)。

5電源噪聲對PoC系統(tǒng)的影響

直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器通常被作為PoC電路的電源IC使用，但是由于直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部進行高速開關(guān)，因此開關(guān)噪聲可能會成為問題。由直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器引起的開關(guān)噪聲問題會對PoC系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響的事例已經(jīng)得到了確認。開關(guān)噪聲可以在差模和共模兩種模式下通過同軸電纜進行傳導(dǎo)。

差模噪聲引起的問題
開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

PoC信號在同軸電纜的中心導(dǎo)體和屏蔽層之間以差模方式傳導(dǎo)。在不受外部噪聲影響的情況下，可以保持良好的波形質(zhì)量。但是，如果開關(guān)噪聲進入同軸電纜并以差分模式傳導(dǎo)，則波形質(zhì)量可能會下降。

我們確認了多個電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異。

組合多個電感器時，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

測量開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

為了確認開關(guān)控制的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器噪聲造成的影響，我們將Bias-T電感器和同軸電纜連接到直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，并用示波器確認了其對波形的影響。

此時，信號發(fā)生源為3Gbps，并且使用了開關(guān)頻率為200kHz的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器。

以下是用示波器觀察到的波形。觀察到的波形為3Gbps的高頻和200 kHz的低頻疊加后的波形。3Gbps信號的基準電位以200kHz的周期進行變動。變動幅度為約70mV。由于基準電位的變動可能會對通信產(chǎn)生不良影響，因此我們討論了如何使基準電位穩(wěn)定。

討論通過添加Bias-T電感器來降低開關(guān)噪聲

為了抑制200kHz噪聲，我們在直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器和信號線之間安裝Bias-T電感器的地方添加了100uH電感器LQH3NPH101MME。通過對Bias-T電感器以串聯(lián)方式添加100uH的電感器，可以增加200kHz左右的低頻區(qū)域的阻抗。

改善后的結(jié)果

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認S參數(shù)。

共模噪聲引起的問題

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

接下來，考慮開關(guān)噪聲在同軸電纜的中心導(dǎo)體與屏蔽層之間以共模方式傳導(dǎo)的情況。

共模噪聲往往會增加輻射噪聲電平，因此開關(guān)噪聲有可能會引起輻射噪聲問題。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響及測量方法

為了測試同軸電纜輻射的噪聲，我們按以下方法連接內(nèi)置直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器的基板和內(nèi)置Bias-T電路的基板，并用同軸電纜將配備Bias-T電路的基板彼此連接，然后用電流探頭測量從同軸電纜輻射的噪聲。由于要用電流探頭夾住同軸電纜，因此檢測到的是共模噪聲。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

首先，由于Bias-T電感器預(yù)期可以起到濾波器的作用，因此我們在未安裝電感器（無濾波器）和已安裝電感器（僅電感器）的條件下比較了噪聲測量結(jié)果，但兩者之間幾乎沒有變化。這可能是因為Bias-T電感器僅對差模噪聲有效。

接下來，為了抑制沿中心導(dǎo)體與屏蔽層傳導(dǎo)的共模噪聲而添加了共模扼流線圈（CMCC*）后，發(fā)現(xiàn)能將噪聲電平抑制5到10dB。

6輻射噪聲對策實例

接下來，我們嘗試使用帶有PoC系統(tǒng)的SerDes測試基板測量輻射噪聲，并采取了靜噪對策。用1.5米的車載同軸電纜連接Tx側(cè)和Rx側(cè)的測試基板，并向Rx側(cè)供電，再測量測試基板工作時的輻射噪聲。

初始狀態(tài)

測量輻射噪聲時，在30MHz至2.5GHz的整個范圍內(nèi)均確認到寬帶噪聲，并且存在超出標準值的頻帶。

近磁場分布測量結(jié)果

為了確定基板上的噪聲源，我們在基板表面進行了近磁場分布測量。
在SerDes IC的信號線及IC電源線上觀測了寬帶噪聲頻譜。此外，在比較兩者的光譜形狀時，發(fā)現(xiàn)其值不同但形狀相似。
這表明信號線和電源線具有相同的噪聲源。
信號線顯示較高的電平，因此SerDes信號很可能是噪聲源。

※由于此測試基板上的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器不是開關(guān)控制類型，因此不是由開關(guān)噪聲引起的磁場分布。

來自Serializer的噪聲傳導(dǎo)路徑（推測）

推測的噪聲傳導(dǎo)路徑如下。

路徑①：噪聲傳導(dǎo)至基板GND、電纜的屏蔽層和信號線。

路徑②：路徑①的噪聲耦合到電源層，噪聲傳導(dǎo)至電源電纜。

從Serializer IC發(fā)送的信號的噪聲成分耦合到基板上的GND層，并以共模方式沿同軸電纜傳導(dǎo)。（路徑①）

噪聲成分傳導(dǎo)至配備了Deserializer IC的基板上，并且通過在基板內(nèi)耦合至電源層，從而沿電源電纜以共模方式傳導(dǎo)。（路徑②）

為了對路徑①實施對策，安裝了信號用CMCC——DLW21SH391XQ2。
為了對路徑②實施對策，安裝了電源用CMCC——PLT5BPH5013R1SN。

結(jié)果，在30MHz到1000MHz之間，與沒有濾波器的狀態(tài)相比，噪聲被抑制了10到20dB。

村田推薦的共模扼流線圈

對策①＋②

通過同時采用這2種對策，在30MHz到2.5GHz的所有頻率中，最大抑制約25dB的噪聲。

7總結(jié)

對于PoC系統(tǒng)，驗證了Bias-T電感器對SI的改善以及CMCC對噪聲的抑制效果。

通過使用具有寬帶特性的電感器（LQW32FT系列），SI得到了改善。

由于電纜對SI的影響不容忽視，因此測試PoC系統(tǒng)的Bias-T電感器時，最好通過包括電纜在內(nèi)的S參數(shù)特性來進行測試。

考慮并驗證了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲對SI產(chǎn)生不良影響的可能性。結(jié)果，確認了通過PoC的Bias-T電感器可以減少開關(guān)噪聲。

確認了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲和SerDes信號會成為噪聲源，并可能使輻射噪聲電平惡化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，共模扼流線圈（DLW21S系列）對解決該問題是有效的。

編輯：jq