I/O电缆辐射发射问题的技术分析

   对于连接的信号电缆,其信号导体通常由一个连接器联到内部电路上,注意这些导体上载有有用信号,其信号的频率以及信号电平要很低,才不会有辐射发射问题。有很多种可能性,非故意的信号或是噪声也会在同样的导体上存在,只是信号的电平可能小的多。I/O驱动器线路可能会有内部杂讯及噪声耦合到I/O信号线上。产品机壳内的电磁场可能会耦合到线路布线上,或是直接传到连接器的信号引脚,从而传到I/O信号上。高速时钟信号也可能会串扰到I/O布线上,这有许多的可能。不管这些无用的信号是怎么耦合到I/O线缆上来的,都可以使用滤波器来降低这些无用信号的电压幅值。一般来说如果这些杂讯噪声电压必须要低于0．1mV,这样就可以通过相关的测试限制标准。

 

                           I/O滤波器示意图

通常在信号电路上的滤波器是一个电容器件加在信号线与电路板的参考平面之间。如图所示,上面电容滤波器的设计要让功能上的有用信号通过,而将无用信号衰减掉。一个重要设计是,这个I/O信号线上的无用信号要相对于机壳做衰减,而不是相对于电路板的参考点做衰减。实际上是因为方便及低成本的原因,滤波器通常是设计在电路板上,因而所有的衰减是相对于电路板的参考点而不是直接对机壳。电路板的参考点与机壳间连接间的阻抗造成一个电压降,因此就降低了滤波器的效果。

 

            考虑到连接电感的I/O滤波器示意图

在电路板参考点与机壳参考点之间的连接也是滤波器设计的一部分,此部分的电感量必须尽可能降低以确保滤波器能有效的工作。在高频时,DC直流的导电性不会有问题。要注意的是PCB参考点与机壳连接的电感量。即使是完美的导体都会有电感,也就是阻抗。一旦噪声电流流过电感就会有电压降。杂讯噪声电压降就会有效的驱动I/O线缆造成辐射。

在I/O连接器与金属接线柱间的环路电感根据环路面积而决定,而非周边距离。此电感量,也就是阻抗,会随着金属接线柱与连接器的距离增加而快速的增加。另一个考虑的点是PCB板的参考点与机壳接触面的大小。部分的环路在PCB板上的参考面,另一部分在机壳。这两个导体面积都很大,故有着很小的区域电感。而PCB板的参考点与机壳的连接面通常很小,所以其区域电感在整体电感上占了很大的部分,主导了整个路径的阻抗。接触介面因此是线缆与机壳间杂讯噪声电位差的最大来源。

   在高频时,电流只能在导体的表面流动,这称之为集肤效应。集肤效应限制了电流能够流过的区域,因而增加了区域电感的效应。从这个分析来看,很明显的接触面的大小是很重要的。比如铜柱应该要越粗越短才好。这样可以减小铜柱的区域电感,因而也减小整体环路的电感。一种常见的方法是使用具有金属弹片可同时接触到机壳以及PCB板的参考地点的连接器。当使用的金属弹片够多时,电感就会降低。如果金属弹片的接触数量不够,连接处的阻抗不够低,则电位差就会产生了。在机壳与电路地之间就可能造成共模电压。

 

           信号连接电缆的辐射发射模型

按照前面的分析,假如是金属机壳产品,产品的内部或者是外部有一根信号连接线电缆,首先进行电缆辐射的模型分析,在信号连接电缆靠近机壳的内部有一个共模电压,由于这个共模电压的存在,就会形成一个共模电流,因此共模电流就会形成单偶极子天线对外辐射,这是电缆发射的机理。

当信号线的长度小于1/4波长时,可用E=1．26ILf/D(uV/m)来计算。当信号线的长度大于1/4波长时,计算公式就可以进行简化,利用更简单计算公式

E=120I/D(uV/m)。因此,想要降低信号线电缆的辐射,就要减小其等效天线模型流过的共模电流,减小共模电流会有几个方法:

1)减小图中的共模电压大小,电压减小了,电流就会小。

2)增加共模回路的阻抗,比如磁珠、共模电感的设计等等。当共模电压一定的时候阻抗越大共模电流也就越小,辐射发射就会越小。

3)改变共模电流的路径。比如,使它的回路面积更小;回路面积小了它的辐射就越小。

4)减小其信号的地阻抗来减小对应的共模激励电压。比如,PCB设计地走线设计优化。

审核编辑：符乾江