有效減少連接器輻射的解決方案

電磁干擾是由大環(huán)路中的信號(hào)電流引起的。

圖9.6舉例說(shuō)明了一個(gè)普通的電磁干擾問(wèn)題。一個(gè)64位總線從板卡A經(jīng)過(guò)連接器B連到母板卡上，母板卡可能是一個(gè)主CPU卡或是一個(gè)通往其他子卡的無(wú)源通道。64條信號(hào)線的返回電流從母板卡C流回板卡A，其中的絕大部分通過(guò)了連接器B的接地腳。

只有一小部分信號(hào)返回電流經(jīng)由不同的路徑流回板卡A然而，正是這一小部分返回電流引起了大量的EMI問(wèn)題。

高頻電流流經(jīng)大的環(huán)路時(shí)會(huì)輻射出大量的電磁能量，這將不能通過(guò)FCC或VDE所規(guī)定的輻射測(cè)試。EMI設(shè)計(jì)的主要工作是使所有信號(hào)的電流環(huán)路橫截面的面積最小。例如，在一個(gè)完整地平面上，高頻電流趨向于緊貼走線正下方返回，一條6IN長(zhǎng)，距離地平面0.010IN的走線所圍起來(lái)環(huán)路面積僅僅為0.006IN的2次方。這么大的環(huán)路面積，在EMI方面是可以接受的。在圖9.6中，板卡A和C上的64位總線信號(hào)由完整地平面返回，因此我們可以忽略其信號(hào)和地之間的環(huán)路面積。

返回電流路徑上的任何阻斷或不連續(xù)，如連接器接地引腳上的轉(zhuǎn)換，會(huì)在電流環(huán)路上產(chǎn)生“氣泡”，這些氣泡是否會(huì)帶來(lái)足夠大的面積，從而導(dǎo)致輻射超標(biāo)，取決于回路中信號(hào)電流的總DI/DT值。

在圖9.6中，環(huán)路面積上的氣泡一般發(fā)生在連接器B內(nèi)，因?yàn)檫B接器上的信號(hào)和地線引腳是分開(kāi)的。該氣泡記為G1，64位總線信號(hào)路徑的環(huán)路電感大部分來(lái)自環(huán)路G1的電感。

信號(hào)返回電流是否有其他的返回路徑，取決于連接器B的物理結(jié)構(gòu)，以及板卡A和C所在的機(jī)箱結(jié)構(gòu)的具體情況。任何電流在返回位于板卡A上的源端時(shí)，如果不經(jīng)過(guò)連接器B，則將包含一個(gè)大的環(huán)路面積，并產(chǎn)生大量的輻射。

例如，在圖9.7中，假設(shè)板卡A和C共用兩個(gè)連接器，另外增加的連接器記為D，將其安排在與連接器B相隔一段距離的地方?，F(xiàn)在有一部分信號(hào)的返回電流可以由連接器D上的地線流加A，如圖9.7中的環(huán)路G2所示。

調(diào)整信號(hào)返回電流通過(guò)連接器D的比例，取決于環(huán)路G1的電感(見(jiàn)圖9.6)與G2(見(jiàn)圖9.7)的電感的比值：

(式5)

在非常低的頻率上，流經(jīng)連接器D的信號(hào)返回電流的量取決于阻抗的比值，而在較高的頻率上，則取決于上式中電感的比值。即然EMI是一個(gè)高頻問(wèn)題，這里我們也就只關(guān)心兩個(gè)環(huán)路電感的比值。

因?yàn)榄h(huán)路G1面積較小，其電感也比G2要小一些，因此只有一小部分的返回信號(hào)電流經(jīng)過(guò)路徑G2。但是，即便如此小的一部分電流也足以使輻射超標(biāo)。在30MHZ以上，在距設(shè)備3M遠(yuǎn)處進(jìn)行測(cè)試，F(xiàn)CC和VDE的輻射限制都大致為100UV/M。關(guān)于輻射標(biāo)準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié)以及防止電磁輻射的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以參考OTT，MARDIGUIAN和KEISER等人的論著。

要想精確計(jì)算一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品的輻射強(qiáng)度等級(jí)是件不現(xiàn)實(shí)的事情，因?yàn)橛刑嗟囊蛩貢?huì)影響結(jié)果。下式表示了一個(gè)簡(jiǎn)單的約束條件：開(kāi)放的測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)合，30MHZ以上，滿足FCC和VDE輻射限制的環(huán)路面積、峰值電流和上升時(shí)間。

(式6)

其中：E=3M處的國(guó)輻射電場(chǎng)強(qiáng)度，V/M

A=輻射環(huán)路面積，IN2

IP=峰值電流，A

T10~90%=信號(hào)上升時(shí)間

FCKOCK=時(shí)間頻率，HZ

關(guān)于上式需要注意：

最終產(chǎn)品的輻射指標(biāo)與上式所預(yù)算的指標(biāo)相差20DB是很常見(jiàn)的，其中包括一個(gè)很大的修正系數(shù)。

應(yīng)該明確，輻射測(cè)試是測(cè)試系統(tǒng)中所有線路輻射的總和，如果一條線剛剛符合標(biāo)準(zhǔn)，那么增加了100條線肯定就不符合標(biāo)準(zhǔn)了。

在設(shè)計(jì)最后設(shè)定之前，先搭建一個(gè)模擬系統(tǒng)測(cè)試一下，其中只需包括一些穿過(guò)連接器系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，聽(tīng)起來(lái)很浪費(fèi)，但最終來(lái)看會(huì)節(jié)省很多錢(qián)。因?yàn)榈鹊焦こ探Y(jié)束需要重新設(shè)計(jì)機(jī)械封裝和屏蔽時(shí)，成本會(huì)急劇增加。

例：一個(gè)連接器的噪聲輻射

圖9.8顯示了一個(gè)典型的16位總線。我們來(lái)分步計(jì)算路徑G1和G2的電感，以及路徑G1的輻射和路徑G2的輻射。

路徑G1的電感：

(式7)

R=0.025/2(引腳半徑，直徑的一半，IN

注意：我們用的是H/R，而不是2H/D)

W1=0.2(信號(hào)到地的距離，IN)

H=0.4(連接器引腳長(zhǎng)度，IN)

1/2=修正系數(shù)，由于信號(hào)引腳兩邊有地線(見(jiàn)“互感--連接器如何引起串?dāng)_”中的準(zhǔn)則2)

路徑G2的電感：

(式8)

R=0.025/2(引腳半徑，直徑的一半，IN)

W1=0.2(信號(hào)到連接器D的距離，IN)

H=0.4(連接器引腳長(zhǎng)度，IN)

假設(shè)每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)都通過(guò)50歐傳輸線傳播，幅度為典型的TTL電平3.7V，信號(hào)電流的峰-峰值為74MA。峰值電流是其一半或正負(fù)37MA。

采用式5救出路徑Y(jié)的峰值電流：

(式9)

現(xiàn)在采用式6來(lái)估算環(huán)路G1和G2的輻射，首先計(jì)算G1：

(式10)

A=0.08(引腳長(zhǎng)度0.4IN*信號(hào)到地距離0.2IN，IN的2次方)

IC1=0.037(峰值電流，A)

T10~90%=5*10的-9次方(信號(hào)上升時(shí)間，S)

FCKOCK=100MHZ

一條信號(hào)線的輻射為82UV，總的輻射與相關(guān)信號(hào)線數(shù)量的平方根近似成正比，所有16條線的輻射量為：

(式11)

按照這樣的設(shè)計(jì)，這個(gè)連接器的安排將不能通過(guò)規(guī)定測(cè)試，再看看連接器D的情況：

(式12)

A=2.4(引腳長(zhǎng)度0.4IN/信號(hào)到地距離6IN，IN的2次方)

IG2=0.0015(峰會(huì)值電流，A)

T10~90%=5*10的-9次方(信號(hào)上升時(shí)間，S)

FCIOK=100MHZ

一條信號(hào)線的輻射為90UV，所有16條線總的輻射為：

(式13)

實(shí)際上，環(huán)路G2輻射比G1輻射大，這里因?yàn)殡姼蠰G2只隨連接器B與D之間距離的對(duì)數(shù)值的增加而增加，而環(huán)路G2面積的增加直接正比于連接器B和D的距離。電感的增加雖然使得流過(guò)G2的電流減少，但是環(huán)路面積增大導(dǎo)致增加的輻射要大得多。連接器B和D之間距離的增大實(shí)際上會(huì)使輻射問(wèn)題更加惡化。

下面是一些能有效減少連接器輻射的準(zhǔn)則：

準(zhǔn)則1 在連接器B中多用一些接地引腳，使地線靠近每一條信號(hào)線，從而有效地減小連接器B中的有效輻射環(huán)路面積。

準(zhǔn)則2 在連接器B中增加更多的地線也能降低其電感，由式5可知，這樣可以減少在遠(yuǎn)端環(huán)路中流過(guò)的電流。

準(zhǔn)則3 將板卡A上所有的母板卡連接器緊密放置，以破環(huán)或消除遠(yuǎn)端返回電流路徑。

準(zhǔn)則4 沿著板卡A和板卡C的邊緣布放連續(xù)的接地點(diǎn)，根據(jù)式5這樣可以提供一個(gè)阻抗非常低的返回路徑，降低遠(yuǎn)端環(huán)路電流。

準(zhǔn)則5 不要把I/O電纜連接在板卡A的外邊緣上，這樣會(huì)從母板卡C上產(chǎn)生一個(gè)大的遠(yuǎn)端返回電流路徑，經(jīng)過(guò)大地和I/O電纜返回板卡A。應(yīng)該將電纜邊在母板卡上，或者在母板卡上靠近連接器B外進(jìn)行高頻濾波。

準(zhǔn)則6