串聯(lián)電感--連接器產(chǎn)生電磁干擾的原理分析

電磁干擾是由大環(huán)路中的信號電流引起的。

圖9.6舉例說明了一個普通的電磁干擾問題。一個64位總線從板卡A經(jīng)過連接器B連到母板卡上，母板卡可能是一個主CPU卡或是一個通往其他子卡的無源通道。64條信號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了連接器B的接地腳。

只有一小部分信號返回電流經(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問題。

高頻電流流經(jīng)大的環(huán)路時會輻射出大量的電磁能量，這將不能通過FCC或VDE所規(guī)定的輻射測試。EMI設(shè)計的主要工作是使所有信號的電流環(huán)路橫截面的面積最小。例如，在一個完整地平面上，高頻電流趨向于緊貼走線正下方返回，一條6IN長，距離地平面0.010IN的走線所圍起來環(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位總線信號由完整地平面返回，因此我們可以忽略其信號和地之間的環(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，會在電流環(huán)路上產(chǎn)生“氣泡”，這些氣泡是否會帶來足夠大的面積，從而導致輻射超標，取決于回路中信號電流的總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)，因為連接器上的信號和地線引腳是分開的。該氣泡記為G1，64位總線信號路徑的環(huán)路電感大部分來自環(huán)路G1的電感。

信號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，如果不經(jīng)過連接器B，則將包含一個大的環(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)整信號返回電流通過連接器D的比例，取決于環(huán)路G1的電感(見圖9.6)與G2(見圖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是一個高頻問題，這里我們也就只關(guān)心兩個環(huán)路電感的比值。

因為環(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電流經(jīng)過路徑G2。但是，即便如此小的一部分電流也足以使輻射超標。在30MHZ以上，在距設(shè)備3M遠處進行測試，F(xiàn)CC和VDE的輻射限制都大致為100UV/M。關(guān)于輻射標準的更多細節(jié)以及防止電磁輻射的設(shè)計技術(shù)，可以參考OTT，MARDIGUIAN和KEISER等人的論著。

要想精確計算一個數(shù)字產(chǎn)品的輻射強度等級是件不現(xiàn)實的事情，因為有太多的因素會影響結(jié)果。下式表示了一個簡單的約束條件：開放的測量試驗場合，30MHZ以上，滿足FCC和VDE輻射限制的環(huán)路面積、峰值電流和上升時間。

(式6)
 

其中：E=3M處的國輻射電場強度，V/M

A=輻射環(huán)路面積，IN2

IP=峰值電流，A

T10~90%=信號上升時間

FCKOCK=時間頻率，HZ

關(guān)于上式需要注意：

最終產(chǎn)品的輻射指標與上式所預算的指標相差20DB是很常見的，其中包括一個很大的修正系數(shù)。

應該明確，輻射測試是測試系統(tǒng)中所有線路輻射的總和，如果一條線剛剛符合標準，那么增加了100條線肯定就不符合標準了。

在設(shè)計最后設(shè)定之前，先搭建一個模擬系統(tǒng)測試一下，其中只需包括一些穿過連接器系統(tǒng)的時鐘信號，聽起來很浪費，但最終來看會節(jié)省很多錢。因為等到工程結(jié)束需要重新設(shè)計機械封裝和屏蔽時，成本會急劇增加。

例：一個連接器的噪聲輻射

圖9.8顯示了一個典型的16位總線。我們來分步計算路徑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(信號到地的距離，IN)

H=0.4(連接器引腳長度，IN)

1/2=修正系數(shù)，由于信號引腳兩邊有地線(見“互感--連接器如何引起串擾”中的準則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(信號到連接器D的距離，IN)

H=0.4(連接器引腳長度，IN)

假設(shè)每個驅(qū)動信號都通過50歐傳輸線傳播，幅度為典型的TTL電平3.7V，信號電流的峰-峰值為74MA。峰值電流是其一半或正負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來估算環(huán)路G1和G2的輻射，首先計算G1：

(式10)

A=0.08(引腳長度0.4IN*信號到地距離0.2IN，IN的2次方)

IC1=0.037(峰值電流，A)

T10~90%=5*10的-9次方(信號上升時間，S)

FCKOCK=100MHZ

一條信號線的輻射為82UV，總的輻射與相關(guān)信號線數(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，這個連接器的安排將不能通過規(guī)定測試，再看看連接器D的情況：

(式12)

A=2.4(引腳長度0.4IN/信號到地距離6IN，IN的2次方)

IG2=0.0015(峰會值電流，A)

T10~90%=5*10的-9次方(信號上升時間，S)

FCIOK=100MHZ

一條信號線的輻射為90UV，所有16條線總的輻射為：

(式13)

實際上，環(huán)路G2輻射比G1輻射大，這里因為電感LG2只隨連接器B與D之間距離的對數(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G2的電流減少，但是環(huán)路面積增大導致增加的輻射要大得多。連接器B和D之間距離的增大實際上會使輻射問題更加惡化。

下面是一些能有效減少連接器輻射的準則：

準則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線，從而有效地減小連接器B中的有效輻射環(huán)路面積。

準則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，這樣可以減少在遠端環(huán)路中流過的電流。

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

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

準則5 不要把I/O電纜連接在板卡A的外邊緣上，這樣會從母板卡C上產(chǎn)生一個大的遠端返回電流路徑，經(jīng)過大地和I/O電纜返回板卡A。應該將電纜邊在母板卡上，或者在母板卡上靠近連接器B外進行高頻濾波。

準則6 對于采用的驅(qū)動門電路，要使其上升沿時間要盡可能長。式6表明，輻射與上升時間的倒數(shù)成正比。