如何減少連接器輻射的有效解決方案

　　電磁幹擾是由大環路中的信號電流引起的。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367049.htm

　　圖9.6舉例說明了一個普通的電磁幹擾問題。一個64位總線從板卡A經過連接器B連到母板卡上，母板卡可能是一個主CPU卡或是一個通往其他子卡的無源通道。64條信號線的返回電流從母板卡C流回板卡A，其中的絕大部分通過了連接器B的接地腳。

　　

　　只有一小部分信號返回電流經由不同的路徑流回板卡A然而，正是這一小部分返回電流引起了大量的EMI問題。

　　高頻電流流經大的環路時會輻射出大量的電磁能量，這將不能通過FCC或VDE所規定的輻射測試。EMI設計的主要工作是使所有信號的電流環路橫截面的面積最小。例如，在一個完整地平面上，高頻電流趨向於緊貼走線正下方返回，一條6IN長，距離地平面0.010IN的走線所圍起來環路面積僅僅為 0.006IN的2次方。這麼大的環路面積，在EMI方面是可以接受的。在圖9.6中，板卡A和C上的64位總線信號由完整地平面返回，因此我們可以忽略其信號和地之間的環路面積。

　　返回電流路徑上的任何阻斷或不連續，如連接器接地引腳上的轉換，會在電流環路上產生「氣泡」，這些氣泡是否會帶來足夠大的面積，從而導致輻射超標，取決於迴路中信號電流的總DI/DT值。

　　在圖9.6中，環路面積上的氣泡一般發生在連接器B內，因為連接器上的信號和地線引腳是分開的。該氣泡記為G1，64位總線信號路徑的環路電感大部分來自環路G1的電感。

　　信號返回電流是否有其他的返迴路徑，取決於連接器B的物理結構，以及板卡A和C所在的機箱結構的具體情況。任何電流在返回位於板卡A上的源端時，如果不經過連接器B，則將包含一個大的環路面積，並產生大量的輻射。

　　例如，在圖9.7中，假設板卡A和C共用兩個連接器，另外增加的連接器記為D，將其安排在與連接器B相隔一段距離的地方。現在有一部分信號的返回電流可以由連接器D上的地線流加A，如圖9.7中的環路G2所示。

　　

　　調整信號返回電流通過連接器D的比例，取決於環路G1的電感（見圖9.6）與G2（見圖9.7）的電感的比值：

　　 （式5）

　　在非常低的頻率上，流經連接器D的信號返回電流的量取決於阻抗的比值，而在較高的頻率上，則取決於上式中電感的比值。即然EMI是一個高頻問題，這裡我們也就只關心兩個環路電感的比值。

　　因為環路G1面積較小，其電感也比G2要小一些，因此只有一小部分的返回信號電流經過路徑G2。但是，即便如此小的一部分電流也足以使輻射超標。在 30MHZ以上，在距設備3M遠處進行測試，FCC和VDE的輻射限制都大致為100UV/M。關於輻射標準的更多細節以及防止電磁輻射的設計技術，可以參考OTT，MARDIGUIAN和KEISER等人的論著。

　　要想精確計算一個數字產品的輻射強度等級是件不現實的事情，因為有太多的因素會影響結果。下式表示了一個簡單的約束條件：開放的測量試驗場合，30MHZ以上，滿足FCC和VDE輻射限制的環路面積、峰值電流和上升時間。

　　 （式6）

　　其中：E=3M處的國輻射電場強度，V/M

　　A=輻射環路面積，IN2

　　IP=峰值電流，A

　　T10~90%=信號上升時間

　　FCKOCK=時間頻率，HZ

　　關於上式需要注意：

　　最終產品的輻射指標與上式所預算的指標相差20DB是很常見的，其中包括一個很大的修正係數。

　　應該明確，輻射測試是測試系統中所有線路輻射的總和，如果一條線剛剛符合標準，那麼增加了100條線肯定就不符合標準了。

　　在設計最後設定之前，先搭建一個模擬系統測試一下，其中只需包括一些穿過連接器系統的時鐘信號，聽起來很浪費，但最終來看會節省很多錢。因為等到工程結束需要重新設計機械封裝和屏蔽時，成本會急劇增加。

　　案例：一個連接器的噪聲輻射

　　圖9.8顯示了一個典型的16位總線。我們來分步計算路徑G1和G2的電感，以及路徑G1的輻射和路徑G2的輻射。

　　路徑G1的電感：

　　 （式7）

　　R=0.025/2（引腳半徑，直徑的一半，IN

　　注意：我們用的是H/R，而不是2H/D）

　　W1=0.2（信號到地的距離，IN）

　　H=0.4（連接器引腳長度，IN）

　　1/2=修正係數，由於信號引腳兩邊有地線（見「互感--連接器如何引起串擾」中的準則2）

　　路徑G2的電感：

　　 （式8）

　　R=0.025/2（引腳半徑，直徑的一半，IN）

　　W1=0.2（信號到連接器D的距離，IN）

　　H=0.4（連接器引腳長度，IN）

　　假設每個驅動信號都通過50歐傳輸線傳播，幅度為典型的TTL電平3.7V，信號電流的峰-峰值為74MA。峰值電流是其一半或正負37MA。

　　採用式5救出路徑Y的峰值電流：

　　 （式9）

　　現在採用式6來估算環路G1和G2的輻射，首先計算G1：

　　 （式10）

　　A=0.08（引腳長度0.4IN*信號到地距離0.2IN，IN的2次方）

　　IC1=0.037（峰值電流，A）

　　T10~90%=5*10的-9次方（信號上升時間，S）

　　FCKOCK=100MHZ

　　一條信號線的輻射為82UV，總的輻射與相關信號線數量的平方根近似成正比，所有16條線的輻射量為：

　　 （式11）

　　按照這樣的設計，這個連接器的安排將不能通過規定測試，再看看連接器D的情況：

　　 （式12）

　　A=2.4（引腳長度0.4IN/信號到地距離6IN，IN的2次方）

　　IG2=0.0015（峰會值電流，A）

　　T10~90%=5*10的-9次方（信號上升時間，S）

　　FCIOK=100MHZ

　　一條信號線的輻射為90UV，所有16條線總的輻射為：

　　 （式13）

　　實際上，環路G2輻射比G1輻射大，這裡因為電感LG2隻隨連接器B與D之間距離的對數值的增加而增加，而環路G2面積的增加直接正比於連接器B和 D的距離。電感的增加雖然使得流過G2的電流減少，但是環路面積增大導致增加的輻射要大得多。連接器B和D之間距離的增大實際上會使輻射問題更加惡化。

　　下面是一些能有效減少連接器輻射的準則：

　　準則1 在連接器B中多用一些接地引腳，使地線靠近每一條信號線，從而有效地減小連接器B中的有效輻射環路面積。

　　準則2 在連接器B中增加更多的地線也能降低其電感，由式5可知，這樣可以減少在遠端環路中流過的電流。

　　準則3 將板卡A上所有的母板卡連接器緊密放置，以破環或消除遠端返回電流路徑。

　　準則4 沿著板卡A和板卡C的邊緣布放連續的接地點，根據式5這樣可以提供一個阻抗非常低的返迴路徑，降低遠端環路電流。

　　準則5 不要把I/O電纜連接在板卡A的外邊緣上，這樣會從母板卡C上產生一個大的遠端返回電流路徑，經過大地和I/O電纜返回板卡A。應該將電纜邊在母板卡上，或者在母板卡上靠近連接器B外進行高頻濾波。

　　準則6 對於採用的驅動門電路，要使其上升沿時間要儘可能長。式6表明，輻射與上升時間的倒數成正比。