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不影响信号完整性的电磁干扰抑制法

2010-04-202030

  由于PCB设计者几乎无法控制逻辑器件的特性,所以所有的高频回路必须(事实上是必须)尽可能保持小型。这种强制性措施在考虑信号完整性时尤其重要。频率越高,传输线必须越短,以减少不需要的延迟,防止阻抗不匹配造成波形失真。顺便说一句,绝大多数自动布线程序在处理信号完整性和EMC时不够巧妙。
 
  但是,由于安装在印制板上的元件大小给出了一些物理限制,所以对辐射回路能有多么小就有一个限制。该回路不能小于元件所要求的面积。图2显示了回路面积、驱动电流和FCC部分15B的技术规范规定的极限值之间的关系。该图表明,高速回路最大面积必须保持很小,以致于经常无法达到的所需面积。可以为某项应用专门生产专用集成电路来进行一定程度的压缩,但这太昂贵了。即使这样也不能使回路面积足够小,且能满足要求。因此,不能期望印制板布局就能完全解决辐射或易感性抗扰问题。这样,必须采用其它一些抑制技术来满足这些EMC要求。必须注意,要防止这些技术使信号完整性下降。 
  
 

图2 最大回路面积(cm2)与FCC部分15B(B)规定的1mA(a)、10mA(b)、和100mA(c)电
流的辐射射频极限值间的关系,测量距离为3m
 
  从公式(1)可以确定,抑制技术必须依靠减小信号电流,限制带宽和信号幅度。可以通过增加串联电阻、串联电感(铁氧体磁环等)、旁路电容、滤波器(由电感和电容组成)、二极管箝位和/或屏蔽来达到这个目的。但是,如公式(2)所示,任何时候要在高速电路中加入附加元件,它通常会通过改变L或C而增加时延,从而影响电路的工作。在印制板设计完成之前,时延的很小变化是可以容忍的。即使没有增加时延,加入附加元件也总会降低电路的可靠性及相关的平均无故障时间(MTBF)。屏蔽是一个例外。因为它不在电路中,所以不会对系统造成这些影响。下面将介绍几种抑制元件。

  在高速系统中,与印制线的电感和电容引起的时延相比,逻辑器件的传播时间是很短的。为满足发射性辐射要求所采用的任何元件必须不在印制线中增加电感或电容,或者影响信号的完整性。不导电串联电阻是非常好的宽带抑制器件,因为(即使将它们串联插入电路中)其寄生电容引起的时延通常很小,一般不会影响系统工作。但是,其减小辐射耦合的能力限于大约为6~12dB。有时这样的能力足以使器件满足辐射要求,但通常所需的衰减要比简单的串联电阻能提供的更大。作为一个普遍的规则,一个电阻不能对外部耦合电场有足够的衰减,来满足辐射易感性/抗扰性要求。

  串联电感,特别是具有宽带高频特性的铁氧体,在低阻抗电路中可以和低通滤波器一样很好地减少辐射。如果EMC问题与系统功率或功率分布有关,加上具有200~400Ω射频阻抗的铁氧体是解决辐射或易感性/抗扰性问题的优选方法。在一个低阻抗功率分配电路中,频率范围为50~100MHz时,预计一个200Ω铁氧体能提供40~45dB的衰减。而且时延不再是问题。当然,必须注意磁通量不能使铁氧体材料达到饱和。信号线是完全不同的一回事。大多数高速系统采用的微带线和条带传输线的阻抗范围为50~80Ω。这种信号传输阻抗在很大程度上由印制线密度和串扰条件决定。但是,串联电感在高阻抗电路中工作得不太好。能很好解决功率分布问题的200Ω铁氧体用于信号线时预计只能提供6~8dB(这可能不够用)。这会引入明显的时延,在设计时必须补偿这个时延。在信号电路中使用时,电感用于控制辐射比解决易感性/抗扰性问题好得多。

  旁路电容和二极管用作不同的EMC抑制。前者因为其阻抗随频率降低,所以可用作低通滤波器;后者因为能使瞬时高电平箝位在更合理的低电平,所以可用作限幅器。在信号线中,这两种元件由于其自身带有的电容,均会使相关电路产生过多的时延。这种影响并不意味着容性元件不能使用。

  根据频率,电容会提供40~50dB的向上衰减,其经常用在电感上能起作用的地方。事实上,如果串联电感不起作用,通常意味着电路射频阻抗较高,这正是旁路电容工作的最好环境。电容还能较好地解决易感性/抗扰性问题。但是与在印制线中使用的电感一样,在开始设计电路时就必须考虑和设计它们的使用情况。由于它们对信号完整性有影响,所以不应在发现问题后再简单地加上去。EMC问题可能解决了,但系统还不能工作。如果电容是后来才加上去的,应分析这样做对设计的影响。为了防止逻辑冲突、不对称和失灵,必须调整定时时延。

  屏蔽是一种非常独特的抑制技术。屏蔽就象一个电场高通滤波器,它能减少对辐射和不敏感性的辐射耦合,而且不用直接放在信号或能量传播路径中。只要屏蔽体的放置不使它与电路紧密地容性耦合,它就不会影响信号的完整性。

  对于数字系统的电场,屏蔽就是所需的一切。好的电场屏蔽的关键元件是无孔隙(至少小孔隙数量少)良导体材料做的箱体,它完全包围需要保护和/或抑制的电路。孔隙的尺寸受箱体尺寸的限制,即孔隙的最大直径不超过箱体的最大尺寸。由于高频截止频率决定于孔隙的大小,那么箱体越小通常高频性能越好。机械公差很容易控制。安装在隔开的箱体上的印制板很有效,其衰减可达60~80dB。它们可用于使电路板与电路板之间的串扰最小,这是另一个重要的信号完整性问题。

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