《電子技術(shù)應(yīng)用》
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接口電路中的濾波、抑制方法
摘要: 使用屏蔽電纜和良好的接地方式可以使接口電路免受或降低外界共模干擾電流的影響,但是在很多場(chǎng)合屏蔽電纜并不適用,甚至即使使用了屏蔽電纜,還不能滿是EMI和EMS方面的要求。此時(shí),就需在接口電路中采用各種抑制技術(shù),將干擾消除在接口的最前端。當(dāng)然,采用各種噪聲抑制技術(shù)的接口電路也是解決電纜輻射問題的重要手段。在常用的各種噪聲抑制電路中,一種有效方法是:合理地設(shè)計(jì)電纜端口的接口電路或在電纜的端口處使用低通濾波器或抑制電路,濾除電纜上的高頻共模電流,如圖1所示??梢姙V波電路與接口電路對(duì)EMI的重要性。濾波電路與接口電路對(duì)EMS問題也同樣重要。
關(guān)鍵詞: EMC|EMI 接口電路 濾波 抑制
Abstract:
Key words :

  使用屏蔽電纜和良好的接地方式可以使接口電路免受或降低外界共模干擾電流的影響,但是在很多場(chǎng)合屏蔽電纜并不適用,甚至即使使用了屏蔽電纜,還不能滿是EMI和EMS方面的要求。此時(shí),就需在接口電路中采用各種抑制技術(shù),將干擾消除在接口的最前端。當(dāng)然,采用各種噪聲抑制技術(shù)的接口電路也是解決電纜輻射問題的重要手段。在常用的各種噪聲抑制電路中,一種有效方法是:合理地設(shè)計(jì)電纜端口的接口電路或在電纜的端口處使用低通濾波器或抑制電路,濾除電纜上的高頻共模電流,如圖1所示??梢姙V波電路與接口電路對(duì)EMI的重要性。濾波電路與接口電路對(duì)EMS問題也同樣重要。

 

  圖1 線路板上的共模低通濾波器   

接口電路與電纜直接相連,接口電路是否進(jìn)行了有效的EMC設(shè)計(jì),直接關(guān)系到整機(jī)系統(tǒng)是否能通過EMC測(cè)試。接口電路的EMC設(shè)計(jì)包括接口電路的濾波電路設(shè)計(jì)和接口電路的保護(hù)設(shè)計(jì)。接口電路濾波設(shè)計(jì)的目的是減小系統(tǒng)通過接口及電纜對(duì)外產(chǎn)生的輻射,抑制外界輻射和傳導(dǎo)噪聲對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的干擾,接口保護(hù)電路設(shè)計(jì)的目的是使電路可以承受一定的過電壓、過電流的沖擊。

為避免共模干擾電流“污染”I/O接口電路,必須在共模干擾電流進(jìn)入IJO接口電路之前采取一定的措施。建議不同的情況采取不同的方法。例如在視頻電路中,I/O信號(hào)是單端的,且公用同一共同回路,使用差模LC濾波是最好的方法。差分驅(qū)動(dòng)的接口(如以太網(wǎng))通常是通過變壓器耦合到I/O區(qū)域,是在變壓器一側(cè)或兩側(cè)的中心抽頭提供耦合的。這些中心抽頭經(jīng)高壓電容器與底板(保護(hù)地)相連,將共模噪聲旁路到底板上,也使信號(hào)不發(fā)生失真。

關(guān)于濾波濾波電路是否該考慮靠近接口芯片器件(負(fù)載)放置還是靠近端口放置,這是個(gè)實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中工程師經(jīng)常遇到的問題,也是非常令人疑惑的問題。筆者認(rèn)為,處理好該問題,最主要的是將接口芯片器件緊靠接口放置,再將濾波電路插人其中,這樣,不但保證濾波電容靠近接口,而且保證濾波電路靠近接口芯片器件被濾波的信號(hào)管腳。當(dāng)有些特殊場(chǎng)合接口芯片器件不能做到靠近接口放置時(shí),要分以下兩種情況來考慮。

(1)對(duì)于接地設(shè)各,將濾波電路(包括共模濾波電路和差模濾波電路)靠近接口放置,并保證共模濾波電容與產(chǎn)品接地點(diǎn)之間的低阻抗連接(作者認(rèn)為長(zhǎng)寬比小于3的完整PCB銅箔是低阻抗連接)。如果不能保證共模濾波電容與產(chǎn)品接地點(diǎn)之間的低阻抗連接(長(zhǎng)寬比大于3的完整PCB銅箔連接),則需要增加另外一級(jí)差模濾波,并靠近接口芯片器件被濾波的信號(hào)管腳放置,形成兩級(jí)濾波,如圖2所示。

  圖2 兩級(jí)濾波   

(2)對(duì)于浮地設(shè)備,建議將濾波電路靠近接口芯片器件被濾波的信號(hào)管腳放置,并防止濾波電路前后的信號(hào)線串?dāng)_。

實(shí)際產(chǎn)品的接口電路與電纜之間通常還存在連接器,它是接口電路與電纜之間的通道。連接器在EMC中的主要作用是給電纜或接口電路提供一個(gè)良好的互連,并保證良好的接地。選用了一個(gè)不好的連接器也許會(huì)將前級(jí)濾波電路的效果毀于一旦。連接器要考慮阻抗匹配、針定義、接地接觸特性等。連接器選擇也要考慮ESD問題,如果是塑料封裝   的連接器,就要保證表面縫隙到內(nèi)部金屬導(dǎo)體之間有足夠的空氣間隙。有時(shí)候安裝在電路板上的接口濾波電路有一個(gè)問題就是經(jīng)過濾波電路后的信號(hào)線在機(jī)箱內(nèi)較長(zhǎng),容易再次感應(yīng)上干擾信號(hào),形成新的共模電流,導(dǎo)致電纜輻射。再次感應(yīng)的信號(hào)有兩個(gè)來源,一個(gè)是機(jī)箱內(nèi)的電磁波會(huì)感應(yīng)到電纜上,另工個(gè)是濾波電路前的干擾信號(hào)會(huì)通過寄生電容直接耦合到電纜端口上。解決這個(gè)問題的方法是盡量減小濾波后暴露在機(jī)箱內(nèi)的導(dǎo)線長(zhǎng)度。濾波連接器是解決這個(gè)問題的理想器件。濾波連接器的每個(gè)插針上有一個(gè)低通濾波器,能夠?qū)⒉遽樕系墓材k娏鳛V掉。這些濾波連接器往往在外形和尺寸上與普通連接器相同,可以直接替代普通連接器。由于連接器安裝在電纜進(jìn)入機(jī)箱的端口處,因此濾波后的導(dǎo)線不會(huì)再感應(yīng)上干擾信號(hào),如圖3所示。

  圖3 濾波連接器能夠防止濾波后的導(dǎo)線再次感應(yīng)上干擾   

如果選擇了帶濾波的連接器(如連接器的插座上每個(gè)引腳都帶有由鐵氧體磁珠和穿心電容組成的濾波器),就要保證濾波連接器有良好的接地特性。特別是對(duì)于含有旁路電容的濾波連接器(大部分都含有),由于信號(hào)線中的大部分干擾被旁路到地上,因此在濾波器與地的接觸點(diǎn)上會(huì)有較大的干擾電流流過。如果濾波器與地的接觸阻抗較大,會(huì)在這個(gè)阻抗上產(chǎn)生較大的電壓降,導(dǎo)致嚴(yán)重的EMC問題。

以下幾點(diǎn)是選擇連接器的基本原則:   

(1)接口信號(hào)連接器建議選用帶屏蔽外殼的連接器,尤其是高頻信號(hào)連接器。

(2)連接器的金屬外殼應(yīng)與機(jī)殼保持良好的電連續(xù)性,對(duì)于能夠360°環(huán)繞的連接器,   則必須360°環(huán)繞連接,而且通常連接阻抗要小于1mΩ。

(3)對(duì)于不能進(jìn)行360°環(huán)繞連接的連接器,則建議采用外殼四周有向上簧片的連接器,而且簧片必須有足夠的尺寸和性能(彈性),以保持與機(jī)殼間有良好的電連接。

(4)濾波連接器對(duì)提高產(chǎn)品的EMC眭能往往有很大的幫助,但其成本比較高,通常在采用板內(nèi)濾波、電纜屏蔽等方法能解決問題的情況下,就不采用濾波連接器。濾波連接器通常在一些特殊的情況(如嚴(yán)格的軍標(biāo)要求、惡劣工業(yè)環(huán)境的小批量應(yīng)用以及一些特殊情況)下運(yùn)用。

(5)屏蔽線的屏蔽層要盡可能與接插件外殼保持360°的連接。對(duì)于做不到這一點(diǎn)的接口,通常有其他對(duì)應(yīng)的措施來保證接口的EMC性能。如果連接器安裝在線路板上,并且通過線路板上的地線與機(jī)箱相連,則要注意為連接器提供一個(gè)干凈的地,這個(gè)地不能帶有共模噪聲,通常地要與機(jī)箱保持良好的搭接。

(6)如果連接器與外殼沒有很好的固定搭接方式(如螺釘、彈簧卡接等),則建議使用導(dǎo)電泡棉等極其柔軟的導(dǎo)電材料填充在連接器與外殼縫隙處,且要放在連接器的整個(gè)周圍。

(7)連接器與機(jī)殼實(shí)現(xiàn)低阻抗搭接,以保證良好接觸。機(jī)殼壁內(nèi)側(cè)上的襯墊,當(dāng)要涂漆有遮蔽要求時(shí),可以用更柔軟的材料。

(8)要求強(qiáng)迫冷卻的設(shè)計(jì),襯墊應(yīng)使連接器和機(jī)殼壁之間的縫隙密封起來,以減少漏氣。在有塵埃的環(huán)境中,襯墊要起到保持系統(tǒng)內(nèi)干凈的作用。

 

 

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