如何抑制連接器的EMI和RF噪聲干擾

出處:電子元件技術 發佈於:2019-12-31 14:49:17

  電磁干擾(EMI)領域初是在1933年由巴黎國際電工委員會(IEC)的一個小組委員會悄然獲得正式認可。該委員會以CISPR(國際無線電干擾特別委員會)的名義成立,旨在更好地瞭解射頻技術可能產生的長期複雜情況。自1820年由莫爾斯、亨利和韋爾成立以來,無線電的受歡迎程度已經爆發,成爲大蕭條時期必不可少的家用電器。很快就確定有意和無意的RF傳輸開始影響其他電氣系統,從而導致電子界對EMI的認識不斷提高。 1934年,CISPR開始制定和分發有關電子設備推薦的允許發射和免疫限制的要求,這些要求已演變爲當前世界上許多的EMC法規。
     在整個20世紀60年代,70年代和80年代,研究人員越來越擔心電磁輻射的干擾增加。 1967年,美國軍方發佈了Mil Standard 461A,該標準爲已經在軍事應用中使用的電子設備以及新軍事電子設備的發射和易感性限制建立了測試和驗證要求。
1979年,美國聯邦通信委員會(FCC)對美國所有數字設備的電磁輻射實施法律限制。隨着系統變得越來越快,體積越來越小,功能越來越強大,這些規定不斷髮展,因爲新興技術的出現,會越來越干擾其他電氣系統的運行。
   爲了更好地瞭解噪聲是如何產生的,航空電子設備和航空航天工程師已經研究了與EMI相關的問題,並確定了可以設計新系統以限度地降低傳輸噪聲的方法,同時還能夠承受來自外部源的一定量噪聲。
   初,大多數公司選擇了快速、笨重的屏蔽外殼設計,這些設計僅僅是效的法拉第籠。在尋求更好的長期解決方案以消除其敏感電子設備中EMI敏感性的衆多公司中,那些更精明的研究人員傾向於採用更、更專注的方法,結合更好的電子設計和佈局,同時在需要時加入額外的屏蔽和濾波元件。
   創建多個級別有助於確保電氣系統在輻射和傳導發射和易感性方面的兼容性。這些標準的引入使人員能夠輕鬆識別可以集成到自己組裝中的電氣系統,而無需擔心EMI問題。今天,由於這些更嚴格的法規不斷融入不斷擴展的電子領域,所有類型的設備都更安全,尤其是高度敏感的偵察、醫療和航空電子設備,可以避免由“噪聲”EMI所造成的災難性故障風險 。
雖然在簡化創作過程和確保一般設計安全方面非常有用,但EMC規範卻不能自動修復在沒有預先考慮無關的射頻波動的情況下所創建的系統。由 於產生或接收可能導致故障的干擾,今天發明的許多複雜系統仍然受到EMI的困擾。這些問題通常的解決辦法是,通過屏蔽系統免受電磁波動,  以及滤波减少不需要的和潜在有害的能量。
       EMI屏蔽和滤波
     屏蔽是一種用於通過阻止源射頻(RF)噪聲傳輸來控制EMI的技術,與鉛和混凝土用作核輻射屏蔽的方式類似。屏蔽可以部署在RF源、接收器或其間的任何地方的電路中。在電場成功實現屏蔽的情況下,有效性取決於屏蔽材料的厚度、導電性和連續性。在電纜上增加屏蔽可以保護內   導體免受撞擊電場的影響,減少磁場的相互作用力。
   重要的是,當電場與導體相互作用時,它會產生一個電壓,該電壓在電路上表現爲電“噪聲”。當在導體周圍放置適當接地的屏蔽時,通常可以 將電場能量排出而不對它產生影響,從而減少或消除噪聲。這是驅動普通電氣屏蔽的基本原理,稱爲法拉第籠。
當穿過空間的電磁波遇到屏蔽時,會發生以下幾種情況:
?大部分能量被反射和折射,類似於聲波的多普勒效應,它們通過穿過的任何東西進行部分消散;?然後,屏蔽層會根據需要將一些剩餘能量吸收或分流到地面,從而顯著降低電磁波能量的大小;?此外,在系統需要薄屏蔽的情況下,必須考慮在機櫃內重新反射能量。重新反射發生在屏蔽材料遠側的邊界處,並導致系統內的EM波的反彈,從而產生不需要的EM能量的局部尖峯。
       大多數高頻屏蔽問題不是因爲材料本身不能消除噪聲而引起的,而是由屏蔽材料中的物理間隙和開口引起的。雖然屏蔽是許多EMI相關問題的主要選擇,但濾波器可以解決與穿過屏蔽外殼的穿透相關的問題,以及電氣系統的輸入和輸出,通常是屏蔽系統中脆弱的點。
與船體沒有什麼不同,在屏蔽系統的任何一點上有一個洞很容易導致災難性的失敗。由於輸入和輸出是與屏蔽外殼相關的弱點,因此由於固有的漏洞,這些是濾波有效的位置。
     在這些位置,屏蔽外殼接口處的濾波和瞬態抑制是保護系統免受兼容性問題影響的有效方法。通過在系統的輸入/輸出接口上使用濾波器和濾波連接器,設計團隊可以在連接器接口處消除來自內部或外部源的EM和RF噪聲,將不需要的能量分流到接地的屏蔽外殼。因此,這是消除高頻噪聲的位置,可減輕任何與EMI相關的問題。
   圖1:多種濾波器類型,旨在消除系統中的EMI
滤波器
     在考慮濾波器和濾波連接器以幫助消除系統中的噪聲問題時,確定EMI解決方案要基於該系統的機械配置。有許多濾波器,這些濾波器有許多不同的配置,如圖1所示。
   低通滤波
   所示的濾波器解決方案具有多種配置,旨在根據特定系統要求緩解EMI問題。這些產品中的每一個都位於電氣工程的單個子集中,具體地說,它們是“低通”濾波器。換句話說,這些濾波器允許較低頻率數據通過,同時阻擋較高頻率信號。
   低通滤波器有多种实现方式,如下所示:
  
   图1a:C滤波器的原理图
 
   图1b:CL或LC滤波器的原理图
    图1c:Pi滤波器的示意图
    C滤波器――纯电容滤波器
   o片式電容器
   o 盘状/引线式
   o平面阵列
 C濾波器是簡單、直接的解決方案。它們由引腳或信號線與地之間的單個去耦電容構成。
    CL/LC滤波器――组合电感和电容滤波
   CL或LC濾波器提供額外的濾波,因爲它們採用單個電容接地,並與電感或“扼流圈”耦合。這增強了去耦電容器的濾波效率以及與電感器阻抗相關的濾波。
     當源阻抗小於負載阻抗時,LC濾波器電路效。當負載阻抗小於源阻抗時,CL濾波器適合電路。
   Pi濾波器――電容和電感濾波(由於形狀類似於pi符號π而命名)Pi濾波器由兩個由電感隔開的去耦電容構成,可有效捕獲目標噪聲,並提提供 卓越的高頻濾波性能。
   應該注意的是,接地是任何良好電氣系統重要的方面,濾波器和濾波連接器需要出色的接地導電性才能正常工作。這些設計(假設它們所安裝的外殼/隔板是“良好接地”的)可爲系統地提供低阻抗連接路徑。
必須根據系統中噪聲的頻率選擇濾波器,該頻率與通過接口傳輸的數據信號的目標頻率直接相關。必須選擇濾波器的電容,使其不會干擾或“削 減”數據信號的邊沿。此外,所選濾波器的類型必須滿足所尋址噪聲的頻譜。換句話說,濾波器是否只需消除噪聲存在的頻帶中的窄範圍,或者 是否更需要寬帶濾波器,以阻止寬頻率(例如:GHz)範圍?
     選擇濾波器的電容取決於計算濾波器的-3dB截止頻率,它表示濾波器的響應幅度從通帶電平下降3dB的頻率。

   以下是用于计算系统截止频率的公式:

   在該公式中,fc是濾波器的截止頻率,如圖2中的性能與頻率曲線圖以及如圖3等效電路的R(電阻)和C(電容)所示。
 
   圖2:不同濾波器類型的描述及其相應的有效範圍。
   
   图3:具有相应功率-频率图的RC电路。
   這些信息很難確定,因爲系統繼續被電氣工程師進行復合和發展,更不用說在相關領域工作的其他了。幸運的是,大多數主流濾波器製造   商都提供了插入損耗圖,它清楚地顯示了與它們提供的各種濾波器相關的-3dB截止頻率。該數據通常以表格形式呈現,並針對標準的500歐姆   負載進行標準化。因此,通過查看不同電容的各種頻率下公佈的插入損耗或濾波器性能數據,可以更容易地選擇濾波器。
   值得注意的是,芯片電容濾波器的表現不盡如人意。由於芯片電容器的自諧振,它們更像是“陷波”濾波器而不是高通濾波器。雖然在某些應用中這種行爲可以忽略不計,但這些濾波能力的缺點是重要的,必須理解爲有效地降低電氣系統中的高頻噪聲。與圖4所示的“理想”電容器的預 測濾波器性能相比,這些芯片電容濾波器具有有限的高頻性能。
 
   圖4:理想電容和1000pF電容的插入損耗對比圖。
     另外,使用芯片電容器的濾波器的機械封裝和電路佈局極大地影響了濾波的性能。如圖5所示,等效串聯電感直接影響濾波器性能。在將這些器件連接到信號和接地時,設計團隊應特別注意所使用的走線的佈局和導電性,以限度地減少這種影響,從而實現芯片電容器可實現的濾波性能。
   
   圖5:電容器的展開圖,顯示了內部殘餘電感。
     這些低通濾波器件有許多物理形式,但也有不同的性能水平。這些設備的選擇取決於噪聲問題的頻率或頻率以及問題的嚴重程度。
   圖2還顯示了各種濾波器類型以及簡單芯片電容濾波器的相對濾波器性能。從這些數據可以看出,芯片電容的作用與前面提到的陷波濾波器相似,而C、CL、LC和Pi濾波器由平面陣列、盤狀電容器或陶瓷管構成,可提供更好的寬頻率和更高的濾波器性能總體水平。
    应用中的滤波器

   有了對該領域及其相關組件的基本瞭解,下一步是研究一些實時應用,並從EMI的角度分析濾波器選擇過程。

   在圖6中,注意系統中的測量噪聲與紅色實線所示的允許限值。
    如何抑制連接器的EMI和RF噪聲干擾
     圖6:與沒有EMI濾波器的系統相關的測量噪聲示例。
     將圖7中的曲線圖看作是在沒有EMI濾波器的情況下測量的器件的噪聲輸出,這會導致出現代價昂貴的停產問題。值得注意的是,30MHz和70MHz之間的頻率超過了允許的限制,這意味着無論實際產品是否成功,設計都無法進入市場。儘管該設備具有屏蔽外殼,但該區域需要極其昂貴的重新設計或額外的濾波以將該噪聲降低到可接受的水平。
   图7:制造商提供的性能图。
   此設備的中斷頻率爲39MHz,如上圖6所示,帶有綠色哈希標記。基於這種觀察,有必要選擇一個濾波連接器,它可實現低頻數據(在這種情況下,低於1.0MHz)傳輸而不會降低,同時濾除系統中的高頻噪聲。
有了這些信息,再加上回顧圖7所示的濾波器製造商的性能數據,可以確定10000pF到30000pF範圍內的濾波很可能是該應用的EMI解決方案。

   接下來,建議設計團隊根據該類濾波系統的低成本和高可靠性,確定芯片電容濾波器是否適合阻止所關注的頻率。考慮到這一點,需要測試採用兩種通用系統解決方案,一個10000pF電容濾芯和一個22000pF電容濾芯。

     圖8顯示了測試10000pF芯片電容插件的結果。結果,該裝置在較高頻率中被發現是可接受的,但是在較低頻率(10MHz和60MHz之間)中沒有提供足夠的濾波以將噪聲降低到低於允許的測試極限。

    如何抑制連接器的EMI和RF噪聲干擾
   圖8:圖6中具有10000pF電容濾波的系統。
   然後,使用22000pF芯片電容濾波器插件進行測試,試圖將濾波器性能調整到噪聲持續的較低頻率區域。如圖9所示,性能得到改善,在     較低頻率的噪聲極限處或附近只有很小的尖峯。但是這個濾波器導致能量“膨脹”到105MHz附近的更高頻率,超過了允許的極限。
   如何抑制连接器的EMI和RF噪声干扰
   圖9:圖7中的系統,具有通用的22000pF電容濾波。
這些測試結果表明,通用芯片電容濾波器插件無法提供足夠的濾波。爲了地解決這個問題,需要一種利用額外濾波的更的方法。
爲了達到預期的效果,客戶測試了專門的濾波器插入,它是爲了限度地減少等效串聯電感。通過將芯片電容器交叉安裝在隔離通道(將焊盤接觸區域與信號引腳和實心接地平面分開)上可實現這種效果。
這種濾波器插入設計提供了的屏蔽效能,並使等效串聯電感化,爲芯片電容器提供可用的性能,同時還利用了系統中已存在的屏蔽。結合專用的22000pF濾波器,濾波器插入實現了圖10所示的結果,從而以具有成本效益的長期解決方案來滿足EMC法規。
在考慮了這些測試的結果之後,利用寬帶濾波器完成了器件設計(圖10),因爲在芯片電容器僅提供濾波的較高頻率中沒有很多餘量。這種專門的22000pF盤狀濾波連接器(採用盤狀電容器構建的C濾波器)提供了更高水平的濾波器性能以及更廣泛的頻率性能要求。


图10:使用自定义滤波器时的图7系统。
通過利用設計中已經存在的屏蔽,這種方法與其他測試的濾波器(包括相同電容的濾波器)相比,改善了整體EMI性能,而不是試圖將系統濾波做爲“神奇的子彈”解決方案。它補充了系統中成功的部分,增強了整個系統的整體性能,而不是將系統視爲一個單獨的實體。
结论
總之,接近EMI噪聲問題更像是接近患者的醫生,而不是大多數形式的補救性工程解決方案測試。初的步驟涉及收集有關問題明顯“症狀”的信息。在評估階段,使用帶有近場探頭的頻譜分析儀來評估系統的內部和外部可以幫助識別噪聲源,這與醫生拍攝患處的X射線相類似。一旦對問題進行了良好的評估或診斷,在評估更復雜的解決方案之前,治療可以首先應用簡單的補救措施。
這裏所示的實時示例涉及與接地相關的理論問題。大多數EMI問題都來自不正確接地的電氣連接,成爲EMI的意外發送器或接收器,或者變成EMI可能泄漏到系統中或從系統泄漏的點。要解決此類問題,請首先嚐試解決任何接地問題。接下來,嘗試在板級或外殼級別上使用屏蔽修補系統,以控制在嗅探測試期間發現的區域中系統中的噪聲傳輸。
如果問題仍然存在,請開始查看濾波解決方案,如本文所述。不要忘記尋求合格的EMI顧問的建議,他可以幫助您確定可靠的EMI濾波解決方案。

關鍵詞:連接器

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