接口电路中的滤波、抑制方法

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 使用屏蔽电缆和良好的接地方式可以使接口电路免受或降低外界共模干扰电流的影响,但是在很多场合屏蔽电缆并不适用,甚至即使使用了屏蔽电缆,还不能满是EMI和EMS方面的要求。此时,就需在接口电路中采用各种抑制技术,将干扰消除在接口的最前端。当然,采用各种噪声抑制技术的接口电路也是解决电缆辐射问题的重要手段。在常用的各种噪声抑制电路中,一种有效方法是:合理地设计电缆端口的接口电路或在电缆的端口处使用低通滤波器或抑制电路,滤除电缆上的高频共模电流,如图1所示。可见滤波电路与接口电路对EMI的重要性。滤波电路与接口电路对EMS问题也同样重要。


图1 线路板上的共模低通滤波器   

接口电路与电缆直接相连,接口电路是否进行了有效的EMC设计,直接关系到整机系统是否能通过EMC测试。接口电路的EMC设计包括接口电路的滤波电路设计和接口电路的保护设计。接口电路滤波设计的目的是减小系统通过接口及电缆对外产生的辐射,抑制外界辐射和传导噪声对整机系统的干扰,接口保护电路设计的目的是使电路可以承受一定的过电压、过电流的冲击。

为避免共模干扰电流“污染”I/O接口电路,必须在共模干扰电流进入IJO接口电路之前采取一定的措施。建议不同的情况采取不同的方法。例如在视频电路中,I/O信号是单端的,且公用同一共同回路,使用差模LC滤波是最好的方法。差分驱动的接口(如以太网)通常是通过变压器耦合到I/O区域,是在变压器一侧或两侧的中心抽头提供耦合的。这些中心抽头经高压电容器与底板(保护地)相连,将共模噪声旁路到底板上,也使信号不发生失真。

关于滤波滤波电路是否该考虑靠近接口芯片器件(负载)放置还是靠近端口放置,这是个实际产品开发中工程师经常遇到的问题,也是非常令人疑惑的问题。笔者认为,处理好该问题,最主要的是将接口芯片器件紧靠接口放置,再将滤波电路插人其中,这样,不但保证滤波电容靠近接口,而且保证滤波电路靠近接口芯片器件被滤波的信号管脚。当有些特殊场合接口芯片器件不能做到靠近接口放置时,要分以下两种情况来考虑。

(1)对于接地设各,将滤波电路(包括共模滤波电路和差模滤波电路)靠近接口放置,并保证共模滤波电容与产品接地点之间的低阻抗连接(作者认为长宽比小于3的完整PCB铜箔是低阻抗连接)。如果不能保证共模滤波电容与产品接地点之间的低阻抗连接(长宽比大于3的完整PCB铜箔连接),则需要增加另外一级差模滤波,并靠近接口芯片器件被滤波的信号管脚放置,形成两级滤波,如图2所示。


图2 两级滤波   

(2)对于浮地设备,建议将滤波电路靠近接口芯片器件被滤波的信号管脚放置,并防止滤波电路前后的信号线串扰。

实际产品的接口电路与电缆之间通常还存在连接器,它是接口电路与电缆之间的通道。连接器在EMC中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。选用了一个不好的连接器也许会将前级滤波电路的效果毁于一旦。连接器要考虑阻抗匹配、针定义、接地接触特性等。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。有时候安装在电路板上的接口滤波电路有一个问题就是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,另工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。解决这个问题的方法是尽量减小滤波后暴露在机箱内的导线长度。滤波连接器是解决这个问题的理想器件。滤波连接器的每个插针上有一个低通滤波器,能够将插针上的共模电流滤掉。这些滤波连接器往往在外形和尺寸上与普通连接器相同,可以直接替代普通连接器。由于连接器安装在电缆进入机箱的端口处,因此滤波后的导线不会再感应上干扰信号,如图3所示。


图3 滤波连接器能够防止滤波后的导线再次感应上干扰   

如果选择了带滤波的连接器(如连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器),就要保证滤波连接器有良好的接地特性。特别是对于含有旁路电容的滤波连接器(大部分都含有),由于信号线中的大部分干扰被旁路到地上,因此在滤波器与地的接触点上会有较大的干扰电流流过。如果滤波器与地的接触阻抗较大,会在这个阻抗上产生较大的电压降,导致严重的EMC问题。

以下几点是选择连接器的基本原则:   

(1)接口信号连接器建议选用带屏蔽外壳的连接器,尤其是高频信号连接器。

(2)连接器的金属外壳应与机壳保持良好的电连续性,对于能够360°环绕的连接器,   则必须360°环绕连接,而且通常连接阻抗要小于1mΩ。

(3)对于不能进行360°环绕连接的连接器,则建议采用外壳四周有向上簧片的连接器,而且簧片必须有足够的尺寸和性能(弹性),以保持与机壳间有良好的电连接。

(4)滤波连接器对提高产品的EMC眭能往往有很大的帮助,但其成本比较高,通常在采用板内滤波、电缆屏蔽等方法能解决问题的情况下,就不采用滤波连接器。滤波连接器通常在一些特殊的情况(如严格的军标要求、恶劣工业环境的小批量应用以及一些特殊情况)下运用。

(5)屏蔽线的屏蔽层要尽可能与接插件外壳保持360°的连接。对于做不到这一点的接口,通常有其他对应的措施来保证接口的EMC性能。如果连接器安装在线路板上,并且通过线路板上的地线与机箱相连,则要注意为连接器提供一个干净的地,这个地不能带有共模噪声,通常地要与机箱保持良好的搭接。

(6)如果连接器与外壳没有很好的固定搭接方式(如螺钉、弹簧卡接等),则建议使用导电泡棉等极其柔软的导电材料填充在连接器与外壳缝隙处,且要放在连接器的整个周围。

(7)连接器与机壳实现低阻抗搭接,以保证良好接触。机壳壁内侧上的衬垫,当要涂漆有遮蔽要求时,可以用更柔软的材料。

(8)要求强迫冷却的设计,衬垫应使连接器和机壳壁之间的缝隙密封起来,以减少漏气。在有尘埃的环境中,衬垫要起到保持系统内干净的作用。

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接口电路中的滤波、抑制方法

采用各种噪声抑制技术的接口电路也是解决电缆辐射问题的重要手段。在常用的各种噪声抑制电路中,一种有效方法是:合理地设计电缆端口的接口电路或在电缆的端口处使用低通滤波器或抑制电路,滤除电缆上的高频共模电流。

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