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产品中电缆、连接器、接口电路与EMC

2019-05-21 10:03
可靠性杂坛
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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:

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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。

image.png

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。

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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。

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