電磁干擾是由大環(huán)路中的信號(hào)電流引起的
圖9.6舉例說明了一個(gè)普通的電磁干擾問題。一個(gè)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(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了連接器B的接地腳。
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。
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)高頻問題,這里我們也就只關(guān)心兩個(gè)環(huán)路電感的比值。[page]
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。
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連接器系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào),聽起來(lái)很浪費(fèi),但最終來(lái)看會(huì)節(jié)省很多錢。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。
案例: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:
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“互感--連接器如何引起串?dāng)_”中的準(zhǔn)則2)[page]
路徑G2的電感:
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:
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:
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:
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:
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 對(duì)于采用的驅(qū)動(dòng)門電路,要使其上升沿時(shí)間要盡可能長(zhǎng)。式6表明,輻射與上升時(shí)間的倒數(shù)成正比。