【技术大神】连接器中串扰对产品互连的影响及解决办法

2016-08-26 世强

连接器产生干扰的原因
在我们的设计当中,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。选用一个不好的连接器也许会将前级滤波电路的效果彻底毁掉,因此连接器要考虑阻抗匹配、针定义及接地特性等。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。


安装在电路板上的接口滤波电路存在这样一个问题: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。解决该问题的办法是尽量减小滤波后暴露在机箱内的导线长度。


EMI问题常常因为高速、高边沿信号的互连而变得更为复杂,因此互连的过程通常伴随着串扰和接地参考电平的分离,一个没有屏蔽或者良好地平面的互连连接器,其信号线之间的串扰要远比多层PCB中信号线之间的串扰大;互连连接器针脚的寄生电感造成的不同子系统之间的地阻抗,及其带来的零电位参考点之间的压差也远比PCB中大。


串扰的分析和影响


图1:连接件中串扰的产生


在上图中阐述了在运行期间连接器中不同针脚间的干扰情况,电流A通过路径X流回源端,由于路径X,Y,Z互相交叠,路径X的磁场会对环路Y,Z造成电压型电磁干扰,其他两路也存在同样的问题。


由于连接器针脚之间也存在耦合电容,相对于互感而言造成的串扰较少,但同样也是一个重要因素。对于串扰而言,需要三个条件:

1)两个环路的互感;

2)源端信号dI/dt的最大改变速率;

3)不管终端还是源端接收网络的阻抗。


考虑两个环路的互感,我们寻找最糟情况下的串扰,因此需要关注交叠环路X和Y的互相影响。在环路Y中的磁通量主要来源于两个地方。第一个地方是从逻辑门A沿着信号线流出的电流。第二个地方是地线中的信号回流电流。因此环路的互感有以上两种形式,且第二种形式(地线形式)是两者中较大者。


此处 a = 信号X和信号Y之间的距离(单位:inch);b = 信号Y和地线的距离(单位:inch);c = 信号Y和地线的距离(单位:inch);D = 连接件管脚直径(单位:inch);H = 连接件管脚长度(单位:inch);Lx,y= 环路X和Y之间的互感(单位:nH)。


上述公式描述了连接器应用中互感的推算,可以看出信号与连接器的距离影响互感的大小,距离越大互感越大。这一部分是作为设计者在电路板设计中需要注意的问题,另一方面连接器的直径和长度对互感也有较大影响,因此选型需要注意。对于串扰信号电压的大小则分两种情况:


对于串扰的估算通常情况下可用下列公式计算:


dI/dt 代表环路中电流信号的瞬变,当通过的信号频率较高,互感越大,当达到噪声门限则会对产品造成影响。


因此,在互连的产品中,连接器中信号之间的串扰和互连地“0V”阻抗是产品EMC设计的重点内容,因为通过分析公式和示意图可以发现串扰会造成如下影响:
1)如果地针较少,那么信号的射频回路较大,产生较大的差模辐射;

2)如果不能保证每个信号线都有一个接地点,不同信号之间容性耦合和感性耦合引起的串扰也将加剧;

3)如果地针较少,其地针引起的总体等效寄生电感也较大,电路回流将产生较高的共模压降,即在两块被互连的PCB之间就会有高频射频电压存在,高频射频电压在设备间产生共模电流,引起电流驱动模式的共模辐射,加重产品系统整体辐射和传导辐射。


测试和结论
鉴于火电应用高精度和长久运行可靠性的需求,以及国家对电力行业电子产品标准的规范需要,在我最近一次火电控制产品的设计中使用了PRECI-DIP的连接器用于核心板和底板的电气连接。采用Preci-dip的连接器的主要原因,是由于该公司的连接器通过了ISO9001,ISO14001,UL及MIL-STD-790体系认证,且具备瑞士产品精密的血统,为产品后期通过相关行业审查和认证提供了条件,且相邻两脚之间容抗极低,相较于其他厂家产品不管在性能还是认证体系上都具备明显优势。


初次设计中由于通过连接器高频通信线的走线较远,造成了卡件通信的不稳定,反复检查软件未能发现问题,通过仪器检测发现信号中存在较多的干扰信号。在一偶然情况下去掉干扰信号旁的一处针脚,信号得到改善。通过再次改版,改变核板电路的走线距离和调整针脚位置,改变传输阻抗,减少连接件互感,解决了该问题。


通过此次调试,我们发现产品的互连连接器是影响产品抗干扰能力的主要原因。因为互连连接器的寄生电感会导致在高频下的高阻抗。当我们进行EFT/B,ESD抗扰度测试时,测试时产生的共模瞬态干扰电流会流过互连连接器的地线。由于互连连接器或互连电缆中地线的阻抗,必然会在互连连接器中的地线上产生共模压降,如果互连连接器中地线两端的压降超过了互连连接器或互连电缆两端的噪声容限,就会产生错误。


因此,在产品设计的过程中,避免互连连接器中有共模干扰电流流过是解决产品内部互连EMC抗扰度问题的第一步。当产品机械构架不能避免共模干扰电流流过互连连接器或电缆时,产品内部互连设计应该考虑以下两点。


1)有共模瞬态干扰电流流过互连连接器时,建议采用金属外壳的互连连接器,电缆采用屏蔽电缆,而且连接器的金属外壳与电缆的屏蔽层在电缆的两端进行360°搭接,并将互连信号中的“0V”工作地与连接器的金属外壳在PCB的信号输入/输出端直接互连。在不能直接互连时,通过旁路电容互连。对于接地设备,要将金属板接大地。这样做的目的是为了使引导共模瞬态干扰电流从互连连接器的外壳和电缆的屏蔽层流过,避免共模干扰电流流过互连连接器的高阻抗线缆而产生瞬态压降。


2)如果只采用非金属外壳互连连接器和非屏蔽电缆,那么建议采用一块额外的金属板连接在互连连接器和非屏蔽电缆的两端,并将互连信号中的“0V”工作地与金属板在PCB的信号输入/输出端直接互连。在不能直接互连时,通过旁路电容互连,对于接地设备,要将金属板接大地。


作者:春天里的远征

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  • CharlesJi Lv8. 研究员 2019-01-24
    串绕要好好学学
  • 伏藏 Lv3. 高级工程师 2019-01-23
    厉害厉害
  • 哒哒 Lv6. 高级专家 2019-01-16
    学习了谢谢
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