差模輻射干擾&共模輻射干擾

2017-03-28 by:CAE仿真在線來(lái)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(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)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(lái)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(dāng)于可產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射的小型天線。為了限制輻射發(fā)射,必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電流導(dǎo)線環(huán)路的尺寸和面積進(jìn)行控制。

PCB的差模輻射

2.差模輻射的計(jì)算

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

(1)

上式中電場(chǎng)強(qiáng)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(méi)有任何反射物體。但是,大多數(shù)電子產(chǎn)品的輻射測(cè)量都是在地平面上的開(kāi)闊場(chǎng)地上進(jìn)行,而不是在所謂的自由空間進(jìn)行的。過(guò)多的地面反射可能使輻射發(fā)射的測(cè)量結(jié)果便打,最大可達(dá)6dB?？紤]到這個(gè)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(duì)地面反射進(jìn)行校正,(1)式重寫(xiě)如下:

(2)

上式表明:差模輻射發(fā)射大小與電流、信號(hào)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。可知,上升時(shí)間對(duì)差模輻射的影響非常重要。信號(hào)的上升時(shí)間決定了頻譜的拐點(diǎn),過(guò)了拐點(diǎn)之后,差模輻射發(fā)射不再隨著頻率的增大而增大。為信號(hào)上升沿時(shí)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(hào)頻率與信號(hào)的上升沿時(shí)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(hào)的頻率或電流的諧波分量(信號(hào)上升時(shí)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(shí)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(jì)過(guò)程中對(duì)環(huán)路的尺寸與面積進(jìn)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(guò)程中。在此過(guò)程中首先需要注意的是高速時(shí)鐘信號(hào),時(shí)鐘通常是系統(tǒng)中頻率最高的信號(hào),因此所有時(shí)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(hào)回流導(dǎo)線(接地線)相鄰。同時(shí),因?yàn)樽畹陀行У刂穼?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(lái)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(huì)是主要問(wèn)題。通常最主要的差模輻射來(lái)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(shí)上,相關(guān)導(dǎo)線的長(zhǎng)度與背板設(shè)計(jì)完成之后被忽略的差模輻射對(duì)發(fā)射的貢獻(xiàn)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(jì)的多層板,這樣能夠控制背板上的信號(hào)環(huán)路面積。假如無(wú)法使用接地平面層,那么應(yīng)當(dāng)使用多個(gè)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(jì)目的是為信號(hào)線路提供一個(gè)緊鄰的電流返回線路,減小它們所包圍起來(lái)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(hào)線-地線-……信號(hào)線-地線。此外還有一種有效的方法:地線-信號(hào)線-信號(hào)線-地線-信號(hào)線-信號(hào)線-地線。如下圖所示。

扁平帶狀電纜配置:(a)單根地線(b)信號(hào)線和地線交替排列

(c)地-信號(hào)-信號(hào)-地(d)信號(hào)線在地平面上

共模輻射干擾

1.共模輻射的來(lái)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(gè)共模電位差。一般來(lái)說(shuō),共模輻射來(lái)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(shì)(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(jì)算

共模發(fā)射可以模擬成一個(gè)短的(小于)單極子天線,天線由共模電壓(地電壓)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于一個(gè)地平面上的長(zhǎng)度等于的短的單極子理想天線,在距離為的點(diǎn)測(cè)量到的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小可以用下面的公式來(lái)表示:

(3)

上式中電場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)度l和距離r的單位是m。

對(duì)于非理想天線,假設(shè)某一個(gè)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(zhǎng)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(huì)逐漸減弱,所以共模發(fā)射載頻率小于時(shí)才是問(wèn)題, 為信號(hào)上升沿時(shí)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(jì)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(chǎng)所需要的差模電流對(duì)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(chǎng)所需要的差模電流與共模電流。假若電纜長(zhǎng)度l,環(huán)路面積A,頻率f,則公式的結(jié)果等于

這個(gè)結(jié)果表明:差模電流只有比共模電流大至少3個(gè)數(shù)量級(jí),它產(chǎn)生的輻射場(chǎng)才能等于共模電流產(chǎn)生的輻射場(chǎng)。也就是說(shuō),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(chǎng)相等的輻射場(chǎng)。

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(dá)到控制共模電流大小的目的:

使驅(qū)動(dòng)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(shí)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(cè)量結(jié)果頻譜

為設(shè)備選擇與外部大地合理連接點(diǎn)也有助于減小共模電壓。設(shè)備的外部接地點(diǎn)距離借口電纜的位置越遠(yuǎn),這兩點(diǎn)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(huì)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(huì)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(gè)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(dòng)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(gè)沒(méi)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。