วิธีการป้องกันและแก้ไขปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเชื่อมต่อ

ปัจจุบันความถี่สัญญาณนาฬิกาของระบบอิเล็กทรอนิกส์มีหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ ขอบนำหน้าและส่วนท้ายของพัลส์ที่ใช้อยู่ในช่วงนาโนวินาทีย่อย และวงจรวิดีโอคุณภาพสูงยังใช้สำหรับอัตราพิกเซลย่อยระดับนาโนวินาที ความเร็วในการประมวลผลที่สูงขึ้นเหล่านี้แสดงถึงความท้าทายอย่างต่อเนื่องในด้านวิศวกรรม ดังนั้นวิธีการป้องกันและแก้ปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของขั้วต่อจึงควรค่าแก่ความสนใจของเรา

อัตราการสั่นของวงจรจะเร็วขึ้น (เวลาขึ้น/ลง) แอมพลิจูดของแรงดัน/กระแสจะใหญ่ขึ้น และปัญหาก็มากขึ้น ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะแก้ปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ในปัจจุบันมากกว่าเมื่อก่อน

ก่อนโหนดทั้งสองของวงจร กระแสพัลส์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วหมายถึงแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล สนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบ ๆ วงจรสามารถเชื่อมต่อกับส่วนประกอบอื่น ๆ และบุกรุกส่วนเชื่อมต่อได้ สัญญาณรบกวนคู่แบบอุปนัยหรือแบบคาปาซิทีฟเป็นการรบกวนโหมดทั่วไป กระแสรบกวนความถี่วิทยุจะเหมือนกัน และระบบสามารถจำลองได้ดังนี้: ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดเสียง a"วงจรเหยื่อ" หรือ"ตัวรับ" และลูป (ปกติคือแบ็คเพลน) มีหลายปัจจัยที่ใช้อธิบายขนาดของการรบกวน: ความเข้มของแหล่งกำเนิดเสียง ขนาดของพื้นที่รอบกระแสรบกวน และอัตราการเปลี่ยนแปลง

ดังนั้น แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ของการรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ในวงจร แต่เสียงก็มักจะเป็นแบบร่วม เมื่อเชื่อมต่อสายเคเบิลระหว่างขั้วต่ออินพุต/เอาต์พุต (I/O) กับแชสซีหรือระนาบกราวด์ เมื่อแรงดันไฟฟ้า RF ปรากฏขึ้น กระแส RF สองสามมิลลิแอมป์อาจเพียงพอที่จะเกินระดับการปล่อยมลพิษที่อนุญาต

การมีเพศสัมพันธ์และการแพร่กระจายของเสียง

สัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปเกิดจากการออกแบบที่ไม่สมเหตุสมผล สาเหตุทั่วไปบางประการคือความยาวของสายไฟแต่ละเส้นในคู่ที่ต่างกัน หรือระยะห่างจากระนาบกำลังหรือโครงเครื่องต่างกัน อีกสาเหตุหนึ่งคือข้อบกพร่องของส่วนประกอบ เช่น ขดลวดเหนี่ยวนำแม่เหล็กและหม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเก็บประจุและอุปกรณ์แอคทีฟ (เช่น การใช้วงจรรวมพิเศษ (ASIC))

ส่วนประกอบแม่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เรียกว่า"แกนเหล็กสำลัก" ตัวเหนี่ยวนำการเก็บพลังงานชนิด ใช้ในตัวแปลงพลังงานและสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ ช่องว่างอากาศในวงจรแม่เหล็กมีค่าเท่ากับความต้านทานขนาดใหญ่ในวงจรอนุกรมซึ่งกินไฟมากกว่า เป็นผลให้ขดลวดสำลักแกนเหล็กพันบนแกนเฟอร์ไรต์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงรอบแกน และความแรงของสนามที่แรงที่สุดอยู่ใกล้อิเล็กโทรด ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่ใช้โครงสร้างย้อนรอย จะต้องมีช่องว่างบนหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีสนามแม่เหล็กแรงสูงอยู่ระหว่างนั้น องค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดในการรักษาสนามแม่เหล็กคือหลอดเกลียว เพื่อให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายไปตามความยาวของแกนหลอด นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ว่าทำไมโครงสร้างเกลียวจึงเป็นที่นิยมสำหรับองค์ประกอบแม่เหล็กที่ทำงานที่ความถี่สูง

วงจรดีคัปปลิ้งที่ไม่เหมาะสมก็มักจะเป็นแหล่งของการรบกวนเช่นกัน หากวงจรต้องการกระแสพัลส์ขนาดใหญ่ และความต้องการความจุขนาดเล็กหรือความต้านทานภายในที่สูงมากไม่สามารถรับประกันได้ในระหว่างการแยกส่วนบางส่วน แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากวงจรไฟฟ้าจะลดลง ซึ่งเทียบเท่ากับการกระเพื่อมหรือเทียบเท่ากับการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วระหว่างขั้ว เนื่องจากความจุที่หลงทางของแพ็คเกจ การรบกวนสามารถจับคู่กับวงจรอื่น ๆ ทำให้เกิดปัญหาในโหมดทั่วไป

เมื่อกระแสไฟโหมดทั่วไปปนเปื้อนวงจรอินเทอร์เฟซ I/O ปัญหาต้องได้รับการแก้ไขก่อนผ่านขั้วต่อ แนะนำให้ใช้แอพพลิเคชั่นต่าง ๆ เพื่อใช้วิธีการต่าง ๆ ในการแก้ปัญหานี้ ในวงจรวิดีโอ สัญญาณ I/O จะเป็นแบบปลายเดียวและใช้ลูปร่วมกันแบบเดียวกัน ในการแก้ปัญหานี้ ให้ใช้ฟิลเตอร์ LC ขนาดเล็กเพื่อกรองสัญญาณรบกวนออก ในเครือข่ายอินเทอร์เฟซแบบความถี่ต่ำ ความจุที่หลงทางบางส่วนก็เพียงพอที่จะปัดเสียงรบกวนไปที่บอร์ดด้านล่าง อินเทอร์เฟซที่ขับเคลื่อนด้วยดิฟเฟอเรนเชียล เช่น อีเธอร์เน็ต มักจะเชื่อมต่อกับพื้นที่ I/O ผ่านหม้อแปลงไฟฟ้า และมีการคัปปลิ้งโดยก๊อกตรงกลางที่ด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของหม้อแปลง ก๊อกตรงกลางเหล่านี้เชื่อมต่อกับเพลทด้านล่างผ่านตัวเก็บประจุแรงดันสูงเพื่อแยกสัญญาณรบกวนจากโหมดทั่วไปไปที่เพลตด้านล่างเพื่อไม่ให้สัญญาณผิดเพี้ยน

สัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปในพื้นที่ I/O

ไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นสากลในการแก้ปัญหาอินเทอร์เฟซ I/O ทุกประเภท เป้าหมายหลักของนักออกแบบคือการออกแบบวงจรให้ดี และมักจะมองข้ามรายละเอียดบางอย่างที่ถือว่าเรียบง่าย กฎพื้นฐานบางประการสามารถลดเสียงรบกวนก่อนที่จะถึงตัวเชื่อมต่อ:

1) ตั้งตัวเก็บประจุแยกส่วนให้ใกล้กับโหลด

2) ขนาดลูปของกระแสพัลส์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของขอบด้านหน้าและด้านหลังควรเล็กที่สุด

3) เก็บอุปกรณ์ที่มีกระแสไฟสูง (เช่น ไดรเวอร์และ ASIC) ให้ห่างจากพอร์ต I/O

4) วัดความสมบูรณ์ของสัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่ามีการโอเวอร์ชูตและอันเดอร์ชูตต่ำสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสัญญาณวิกฤตที่มีกระแสน้ำขนาดใหญ่ (เช่น นาฬิกาและบัส)

5) ใช้การกรองเฉพาะที่ เช่น เฟอร์ไรท์ RF เพื่อดูดซับสัญญาณรบกวน RF

6) จัดให้มีการเชื่อมต่อรอบความต้านทานต่ำกับกระดานข้างก้นหรืออ้างอิงในพื้นที่ I/O บนกระดานข้างก้น สัญญาณรบกวน RF และตัวเชื่อมต่อ

แม้ว่าวิศวกรจะใช้มาตรการป้องกันหลายอย่างตามรายการด้านบนเพื่อลดสัญญาณรบกวน RF ในพื้นที่ I/O แต่ก็ไม่มีการรับประกันว่ามาตรการป้องกันเหล่านี้จะประสบความสำเร็จเพียงพอที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดการปล่อยมลพิษ มีสัญญาณรบกวนบางอย่างเกิดขึ้น นั่นคือ กระแสโหมดทั่วไปจะไหลบนแผงวงจรภายใน แหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนนี้อยู่ระหว่างแบ็คเพลนกับวงจร ดังนั้นกระแส RF นี้จะต้องไหลผ่านเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุด (ระหว่างเพลตด้านล่างและสายนำสัญญาณ) หากคอนเน็กเตอร์ไม่มีอิมพีแดนซ์ต่ำเพียงพอ (ที่ทับซ้อนกับเพลตฐาน) กระแส RF จะไหลผ่านความจุของสเตรย์ เมื่อกระแส RF ไหลผ่านสายเคเบิล การปล่อยก๊าซจะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

กลไกอื่นในการฉีดกระแสโหมดทั่วไปลงในพื้นที่ I/O คือการต่อเชื่อมของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนที่รุนแรงในบริเวณใกล้เคียง แม้แต่"shielded" ตัวเชื่อมต่อนั้นไร้ประโยชน์ เนื่องจากแหล่งสัญญาณรบกวนอยู่ใกล้ตัวเชื่อมต่อ เช่น สภาพแวดล้อมของพีซี หากมีช่องว่างระหว่างคอนเนคเตอร์และแบ็คเพลน แรงดันไฟฟ้า RF ที่เกิดขึ้นที่นี่อาจทำให้ประสิทธิภาพของ EMC ลดลง

มีวิธีป้องกันตัวเชื่อมต่อเพิ่มนิ้วกกหรือปะเก็น การทับซ้อนของตัวเชื่อมต่อคือการเติมช่องว่างระหว่างตัวเชื่อมต่อและปลอกหุ้ม วิธีนี้ต้องใช้ไลเนอร์ ปะเก็นโลหะจะดีกว่าตราบใดที่มีการจัดการอย่างถูกต้อง นั่นคือ ตราบใดที่พื้นผิวไม่มีการปนเปื้อน ตราบใดที่มือไม่สัมผัสหรือทำลายปะเก็น และตราบใดที่มีแรงดันเพียงพอที่จะรักษาดี ต่ำ - หน้าสัมผัสอิมพีแดนซ์

อีกวิธีหนึ่งคือการติดตั้งขั้วต่อบนขั้วต่อหรือติดตั้งขั้วต่อบนตัวเครื่อง ขณะนี้พื้นผิวสัมผัสสูงสุดมีขนาดเล็กลงเล็กน้อยและควรควบคุมขนาดและความยืดหยุ่นของแท็บอย่างเคร่งครัด เมื่อทำการติดตั้งขั้วต่อที่มีฉนวนหุ้ม ให้เปิดที่ตัวเครื่อง และถอดน้ำมันที่ด้านข้างของช่องเปิดออก ทำมันอย่างระมัดระวัง หากพิกัดความเผื่อไม่เหมาะสม ขั้วต่อจะจมลงในปลอกลึกเกินไปและการทับซ้อนจะถูกขัดจังหวะ วิศวกรของ EMC ทุกคนรู้ดีว่าใน"ยอดเยี่ยม" ระบบ ปัญหานี้ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการเปิดตัวและตรวจสอบทันเวลาในสายการผลิต ปะเก็นที่คลายออกหรืองอซึ่งติดตั้งบนน้ำมันในบริเวณวิกฤตจะล้มเหลว

ตัวเชื่อมต่อ EMI ถูกเลือกด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

1) พลาสติกโฟมนำไฟฟ้ามีความนุ่มมาก และสามารถวางไว้บนเส้นรอบวงทั้งหมดของขั้วต่อได้ ซึ่งจะช่วยขจัดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับปลอกและปะเก็นอื่นๆ

2) วิศวกรเครื่องกลสามารถติดตั้งตัวเชื่อมต่อภายในช่วงพิกัดความเผื่อที่ยอมรับได้ของแชสซีระบบ

3) คอนเนคเตอร์และแชสซีเชื่อมต่อกับอิมพีแดนซ์ต่ำเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดี ซับที่ด้านในของผนังตู้สามารถทำจากวัสดุที่อ่อนนุ่มกว่าเมื่อจำเป็นต้องทาสีและมีข้อกำหนดในการปิดบัง

4) สำหรับการออกแบบที่ต้องการความเย็นแบบบังคับ ปะเก็นควรมีคุณสมบัติอื่น: ควรปิดผนึกรอยต่อระหว่างขั้วต่อและผนังท่อเพื่อลดการรั่วไหลของอากาศ ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นมาก ปะเก็นควรช่วยรักษาระบบให้สะอาด