差模辐射干扰&共模辐射干扰

2017-03-28 by:CAE仿真在线来源:互联网

辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。辐射干扰分为差模辐射干扰和共模辐射干扰。

差模辐射干扰

1.差模辐射的来源

差模辐射是由电路中传送电流的导线所形成的环路产生的,这些环路相当于可产生磁场辐射的小型天线。为了限制辐射发射,必须在设计过程中对电流导线环路的尺寸和面积进行控制。

PCB的差模辐射

2.差模辐射的计算

差模辐射的情况可以用一个小型环状天线来模拟。对于一个环路面积为,电流为的小型天线,在自由空间中距离处测量到的电场的大小表示为下式:

(1)

上式中电场强度的单位是V/m;频率f的单位是Hz;面积A的单位是m2;电流I的单位为A;距离r的单位是m。

上式适用于自由空间中的小型环状天线,并且在天线周围临近没有任何反射物体。但是,大多数电子产品的辐射测量都是在地平面上的开阔场地上进行,而不是在所谓的自由空间进行的。过多的地面反射可能使辐射发射的测量结果便打,最大可达6dB。考虑到这个因素,上式必须乘以修正系数2。假设所有反射的方向相同,对地面反射进行校正,(1)式重写如下:

(2)

上式表明:差模辐射发射大小与电流、信号频率的平方、环路面积成正比。

3.差模辐射发射频谱包络

下图给出了差模发射的频谱包络图。可知,上升时间对差模辐射的影响非常重要。信号的上升时间决定了频谱的拐点,过了拐点之后,差模辐射发射不再随着频率的增大而增大。为信号上升沿时间。

所以,为了减小差模辐射发射,最重要的是尽量减小信号频率与信号的上升沿时间。

差模辐射发射频谱包络

4.差模辐射发射的控制

根据上式可知,控制差模辐射发射的方法有:减小天线上的电流大小;减小电流信号的频率或电流的谐波分量(信号上升时间);减小导线电流环路面积。

1)减小导线电流环路面积(PCB布局和多层电路板)

尽管电流环路时电路正常工作所必需的,但为了限制差模辐射发射。必须在设计过程中对环路的尺寸与面积进行控制。

减小导线电流环路面积的方法主要集中在PCB布局布线过程中。在此过程中首先需要注意的是高速时钟信号,时钟通常是系统中频率最高的信号,因此所有时钟线都应该有毗邻的地回流线;其次是地址总线和数据总线,至少应保证每8位一组的数据导线或地址导线有一条信号回流导线(接地线)相邻。同时,因为最低有效地址导线上的电流频率往往最高,所以地回流导线最好靠近它来布线。

2)减小天线上的电流大小

如果接地合理,电源有去藕且布局良好,PCB上的差模辐射发射不会是主要问题。通常最主要的差模辐射来源是背板和互联电缆。在数字系统中,背板所产生的辐射往往是最主要的差模辐射源。事实上,相关导线的长度与背板设计完成之后被忽略的差模辐射对发射的贡献最大。

a)背板连线的屏蔽

背板应采用2层电路板或者有地层设计的多层板,这样能够控制背板上的信号环路面积。假如无法使用接地平面层,那么应当使用多个地回路,并且散布在背板上,不要拥挤在一起布线,以有效减小环路面积。

b)电缆的屏蔽(互联电缆布局和屏蔽电缆)

电缆布线的主要设计目的是为信号线路提供一个紧邻的电流返回线路,减小它们所包围起来的环路面积。电缆按照减小辐射能力排序:同轴电缆、三芯电缆、双绞线、扁平电缆。

扁平电缆最好的排列方式是:地线-信号线-地线-……信号线-地线。此外还有一种有效的方法:地线-信号线-信号线-地线-信号线-信号线-地线。如下图所示。