差模輻射干擾&共模輻射干擾

2017-03-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。輻射干擾分為差模輻射干擾和共模輻射干擾。

差模輻射干擾

1.差模輻射的來源

差模輻射是由電路中傳送電流的導(dǎo)線所形成的環(huán)路產(chǎn)生的,這些環(huán)路相當于可產(chǎn)生磁場輻射的小型天線。為了限制輻射發(fā)射,必須在設(shè)計過程中對電流導(dǎo)線環(huán)路的尺寸和面積進行控制。

PCB的差模輻射

2.差模輻射的計算

差模輻射的情況可以用一個小型環(huán)狀天線來模擬。對于一個環(huán)路面積為,電流為的小型天線,在自由空間中距離處測量到的電場的大小表示為下式:

(1)

上式中電場強度的單位是V/m;頻率f的單位是Hz;面積A的單位是m2;電流I的單位為A;距離r的單位是m。

上式適用于自由空間中的小型環(huán)狀天線,并且在天線周圍臨近沒有任何反射物體。但是,大多數(shù)電子產(chǎn)品的輻射測量都是在地平面上的開闊場地上進行,而不是在所謂的自由空間進行的。過多的地面反射可能使輻射發(fā)射的測量結(jié)果便打,最大可達6dB?？紤]到這個因素,上式必須乘以修正系數(shù)2。假設(shè)所有反射的方向相同,對地面反射進行校正,(1)式重寫如下:

(2)

上式表明:差模輻射發(fā)射大小與電流、信號頻率的平方、環(huán)路面積成正比。

3.差模輻射發(fā)射頻譜包絡(luò)

下圖給出了差模發(fā)射的頻譜包絡(luò)圖?？芍?上升時間對差模輻射的影響非常重要。信號的上升時間決定了頻譜的拐點,過了拐點之后,差模輻射發(fā)射不再隨著頻率的增大而增大。為信號上升沿時間。

所以,為了減小差模輻射發(fā)射,最重要的是盡量減小信號頻率與信號的上升沿時間。

差模輻射發(fā)射頻譜包絡(luò)

4.差模輻射發(fā)射的控制

根據(jù)上式可知,控制差模輻射發(fā)射的方法有:減小天線上的電流大小;減小電流信號的頻率或電流的諧波分量(信號上升時間);減小導(dǎo)線電流環(huán)路面積。

1)減小導(dǎo)線電流環(huán)路面積(PCB布局和多層電路板)

盡管電流環(huán)路時電路正常工作所必需的,但為了限制差模輻射發(fā)射。必須在設(shè)計過程中對環(huán)路的尺寸與面積進行控制。

減小導(dǎo)線電流環(huán)路面積的方法主要集中在PCB布局布線過程中。在此過程中首先需要注意的是高速時鐘信號,時鐘通常是系統(tǒng)中頻率最高的信號,因此所有時鐘線都應(yīng)該有毗鄰的地回流線;其次是地址總線和數(shù)據(jù)總線,至少應(yīng)保證每8位一組的數(shù)據(jù)導(dǎo)線或地址導(dǎo)線有一條信號回流導(dǎo)線(接地線)相鄰。同時,因為最低有效地址導(dǎo)線上的電流頻率往往最高,所以地回流導(dǎo)線最好靠近它來布線。

2)減小天線上的電流大小

如果接地合理,電源有去藕且布局良好,PCB上的差模輻射發(fā)射不會是主要問題。通常最主要的差模輻射來源是背板和互聯(lián)電纜。在數(shù)字系統(tǒng)中,背板所產(chǎn)生的輻射往往是最主要的差模輻射源。事實上,相關(guān)導(dǎo)線的長度與背板設(shè)計完成之后被忽略的差模輻射對發(fā)射的貢獻最大。

a)背板連線的屏蔽

背板應(yīng)采用2層電路板或者有地層設(shè)計的多層板,這樣能夠控制背板上的信號環(huán)路面積。假如無法使用接地平面層,那么應(yīng)當使用多個地回路,并且散布在背板上,不要擁擠在一起布線,以有效減小環(huán)路面積。

b)電纜的屏蔽(互聯(lián)電纜布局和屏蔽電纜)

電纜布線的主要設(shè)計目的是為信號線路提供一個緊鄰的電流返回線路,減小它們所包圍起來的環(huán)路面積。電纜按照減小輻射能力排序:同軸電纜、三芯電纜、雙絞線、扁平電纜。

扁平電纜最好的排列方式是:地線-信號線-地線-……信號線-地線。此外還有一種有效的方法:地線-信號線-信號線-地線-信號線-信號線-地線。如下圖所示。

扁平帶狀電纜配置:(a)單根地線(b)信號線和地線交替排列

(c)地-信號-信號-地(d)信號線在地平面上

共模輻射干擾

1.共模輻射的來源

共模輻射是因電路中不需要的電壓降產(chǎn)生的,這種電壓降使系統(tǒng)的某些部件與“真正”的地之間形成一個共模電位差。一般來說,共模輻射來自于系統(tǒng)中的電纜。如圖所示,輻射發(fā)射的頻率由共模電勢(通常是地電壓)決定。

系統(tǒng)電纜的共模輻射

2.共模輻射的計算

共模發(fā)射可以模擬成一個短的(小于)單極子天線,天線由共模電壓(地電壓)驅(qū)動。對于一個地平面上的長度等于的短的單極子理想天線,在距離為的點測量到的電場強度的大小可以用下面的公式來表示:

(3)

上式中電場強度的單位是V/m;頻率f的單位是Hz;電流I的單位為A,表示的是電纜上的共模電流;長度l和距離r的單位是m。

對于非理想天線,假設(shè)某一個方向的發(fā)射最大,公式(3)可重新整理如下:

(4)

上式表明:輻射發(fā)射大小與頻率、天線長度、天線上的共模電流大小成正比。

3.共模輻射發(fā)射頻譜包絡(luò)

下圖給出了共模發(fā)射的頻譜包絡(luò)圖。隨著頻率的增大,共模輻射會逐漸減弱,所以共模發(fā)射載頻率小于時才是問題, 為信號上升沿時間。

共模輻射發(fā)射頻譜包絡(luò)

4.共模輻射與差模輻射

在產(chǎn)品的設(shè)計和布局階段很容易控制差模輻射。相比之下,共模輻射卻很難控制。通常,恰恰是共模輻射決定著產(chǎn)品的整體發(fā)射性能。

使(2)式與(4)式相等,解出差模電流與共模電流的比值,就可以算出產(chǎn)生大小相等的輻射場所需要的差模電流對共模電流之比,所以有:

上式中的和分別是產(chǎn)生同等大小輻射場所需要的差模電流與共模電流。假若電纜長度l,環(huán)路面積A,頻率f,則公式的結(jié)果等于

這個結(jié)果表明:差模電流只有比共模電流大至少3個數(shù)量級,它產(chǎn)生的輻射場才能等于共模電流產(chǎn)生的輻射場。也就是說,幾微安的共模電流就能夠產(chǎn)生與幾毫安差模電流產(chǎn)生的輻射場相等的輻射場。

5.共模輻射發(fā)射的控制

減小輻射發(fā)射大小的主要方法是限制共模電流的大小。采取下面的措施就能夠達到控制共模電流大小的目的:

使驅(qū)動天線的源電壓最小,通常是指地電壓;

提供足夠大的共模阻抗與電纜串聯(lián),即使用所謂的共模扼流圈;

將共模電流分流到地;

電纜實施屏蔽。

1)減小共模電壓

使用接地網(wǎng)格或接地平面減小接地系統(tǒng)上的電壓降是減小共模電壓的有效方法。下圖是PCB使用接地網(wǎng)格減小共模發(fā)射的效果參考圖。

PCB輻射發(fā)射測量結(jié)果頻譜

為設(shè)備選擇與外部大地合理連接點也有助于減小共模電壓。設(shè)備的外部接地點距離借口電纜的位置越遠,這兩點之間就越容易產(chǎn)生較大的共模電壓。

2)共模扼流圈

共模扼流圈普遍用于限制電纜上的共模發(fā)射,其工作特性不會影響到差模電流。由于扼流圈繞組之間寄生電容的旁路效應(yīng),共模扼流圈的效果一般不會大于20dB,典型值在6dB~12 dB之間。一般要求共模扼流圈在需要抑制的頻率范圍內(nèi)至少具有100Ω~1000Ω的阻抗,小于這個范圍就很難有效了。

3)電纜的去耦

使用去藕電容將電纜上的共模電流分流到地,其使用效果取決于驅(qū)動電路的共模源阻抗。除了去耦電容之外,采用與電纜串聯(lián)的電阻或電感也能獲得減小共模電流的效果。內(nèi)嵌并聯(lián)電容器或串聯(lián)電感類元件的引腳濾波型連接器也是一種用于電纜共模抑制的技術(shù)。

4)電纜的屏蔽

為了減小電纜的輻射,可以采用屏蔽電纜。

電纜的去耦和屏蔽都需要一個沒有受到數(shù)字邏輯電路噪聲污染的“干凈”的地。PCB必須采取下圖所示方式布局。