模塊連接線引起的共路干擾

ID:72008 · 發(fā)表于 2015-1-13 00:38

　　在平常的低頻數(shù)�；旌想娐窇�(yīng)用中，最容易出現(xiàn)的是共路耦合干擾，而不是串?dāng)_。下面就以一個很容易出問題的設(shè)計應(yīng)用為例帶大家分析一下共路耦合干擾:) 應(yīng)用情景：
　　系統(tǒng)分為A、B兩部分，A部分輸出視頻信號給B，再經(jīng)由B板輸出；B板為A板提供電源（開關(guān)電源，DC12V，紋波幅度200mV，50KHz）。

　　四根線捆在一起，長為30cm，為方便計算將其等效為如下四芯線模型（假設(shè)A板GND與AGND鋪銅連接――即只有GND，B板GND與AGND隔離）：

干擾分析：
　　先對線間串?dāng)_進(jìn)行分析，串?dāng)_分容性串?dāng)_和感性串?dāng)_。按情景粗略估計容性串?dāng)_和感性串?dāng)_值都比較小，但這里還是通過簡化模型計算來計算一下串?dāng)_值的大小，好與共路耦合干擾做一下對比。
先分析一下容性串?dāng)_值（只分析12V對Vo的容性串?dāng)_值）。
　　簡化后的模型如下：

　　12V電源線與Vo之間的互電容為C12；Vo線兩端分別是A板源阻抗RS和B板目標(biāo)阻抗RL，均為75歐；Vo對地電容為C2。聚乙稀材料相對介電常數(shù)為2.3，考慮到中間的氣隙，使用1.8代替2.3。（對容性串?dāng)_，為方便畫圖，將干擾源畫到A板側(cè)，無影響。）
　　C2＝1.8*0.3m*3.38/(0.14*log(4*2mm/0.5mm)) =10.8pF
　　C12=C2＝10.8pF（近似估算）
　　串?dāng)_電壓VSC＝V1*Z2/（Z1+Z2）
　　Z2=|(-j/(2π*50k*10.8pF)||75||75)|=37.5
　　Z1=|-j/(2π*50k*10.8pF)|=294k
　　串?dāng)_電壓值為200mV*37.5/294k=25.6uV
　　這樣小的串?dāng)_電壓不至于對1V峰峰值的視頻信號造成有害干擾。（信噪比為20log(0.5V/25.6uV)=86dB，而一般攝相機輸出信噪比為50dB，所以容性串?dāng)_對信號的影響可以忽略不計的。）
　　下面分析一下感性串?dāng)_：
　　把模型簡化為兩個環(huán)形線圈的互感引起的干擾，將兩環(huán)路的電感分別等效到視頻信號和12V上。

　　兩個線圈之間的互感是（沒有找到公式，自己大概推導(dǎo)一下――具體步驟就不寫了^_^）：
　　M12＝μ*0.3m*ln((1.414*2mm+0.5mm/2)/(2mm-0.5mm/2))/π
　　=4*(10的負(fù)7次方)*π/π*ln1.759
　　=0.226uH
　　B板負(fù)載RP等效為50歐電阻并100uF電容（等效串聯(lián)電阻ESR計為0.5歐）。則12V與地構(gòu)成的回路中電流交流成分幅度值為：
　　I1＝200mV/(50||(0.5-j/(50kHz*2*3.14*100uF)))=200mV/(50||(0.5-j0.03))=400mA
　　可見通過電容的交流電流還是比較大的，而這里對電流交流成分起決定性作用的是電容的ESR值。低ESR的電容有更好的濾波效果。
　　那么可以得出感性串?dāng)_電壓值為：
　　VSL＝I1*M12＝400mA*0.226uH=0.09uV
　　呵呵，感性串?dāng)_引起的干擾比容性串?dāng)_值還要小很多，更不會引起可見的視頻干擾。（注：并不是任何場合都是感性串?dāng)_小于容性串?dāng)_，而且也不一定都是很小的值，當(dāng)頻率升到100M左右數(shù)量級的時候這些值就會比較大了，而且那時感性串?dāng)_往往會比容性串?dāng)_更明顯。）

　　下面就有請我們今天的主角登場吧――共路耦合干擾。
　　對于A板，我們可以單點接地，也可以視情況做全面鋪銅而不區(qū)分GND和AGND，處理得當(dāng)?shù)脑捫Ч蛦吸c接地接近。而對B板，我們可以選擇單點連接、整板鋪銅或是斷開。如果單從單板設(shè)計角度來考慮，單點接地和整板鋪銅都是沒有問題的。但在這個系統(tǒng)中，B板地布的再好，只要AGND和GND連這就會導(dǎo)致共路干擾！唯一的選擇就是GND和AGND在B板上不連接！
　　看一下在B板GND和AGND單點連接或鋪銅連接的情況：

　　可以看到開關(guān)噪聲從12V輸出后有三條返回路徑，L1＝L2＝L3＝L4。
每根線自感按半匝線圈估算，一匝線圈電感值約為0.253uH，則每根線電感為0.13uH。對50kHz信號呈現(xiàn)阻抗為j2*3.14*50k*0.13uH＝j(luò)40 mΩ。另外線路本身驅(qū)膚效應(yīng)及導(dǎo)線本身電阻引進(jìn)的阻抗也差不多在30-50 mΩ，也按40 mΩ算，則總的阻抗值為40*1.414＝56 mΩ。不要小看這56 mΩ哈，看它給我們帶來了什么？！
　　那么落在RL兩端的50kHz信號幅度為：
　　VL=V1*(Z4||Z2)/(Z1+ZP+(Z4||Z2))*(RL/(RL+ Z1+RS))
　　=200mV*28mΩ/(560 mΩ+j60 mΩ)*(75Ω/150Ω)
　　=5mV
　　對于一個電源來說，5mV不算什么了不起，不過，對弱信號來說這已經(jīng)是一個很“可觀”的噪聲（如果終端顯視器75歐阻抗匹配電阻未拉入的話將是10mV）。信號的信噪比一下子變?yōu)?0log(500mV/5mV)＝40dB。另外再考慮實際有效視頻信號占的幅度峰峰要小于1V（1V包含同步頭），實際的信噪比還會更低一些。這樣的干擾強度已經(jīng)對視頻信號起到影響！視頻信號行頻為1/64us=15625Hz，干擾源頻率為50kHz，可以在監(jiān)視器上看到淡淡的細(xì)紋，細(xì)紋間隔大致為6個行（間掃）。另外，只要干擾源頻率不是場頻的整數(shù)倍，我們就能在監(jiān)視器上看到滾動的橫紋。這些都是經(jīng)過我驗證過的:)
　　引記：
　　通過這些相關(guān)的計算可以對容性串?dāng)_、感性串?dāng)_和共路干擾有一個更加深入的理性的認(rèn)識。從定性到定量，可以讓我們更好的理解這些干擾在我們設(shè)計中扮演的角色，也讓我們能夠更從容的處理我們的設(shè)計。如果不能過渡到量化這一階段來，我們接觸越多的東西只會變得更加迷茫，很多設(shè)計中的規(guī)則我們都知道什么樣好，什么樣不好，但當(dāng)多條規(guī)則沖突的時候我們可能就會手足無措，如何取舍？這就需要我們對這些沖突起到的影響量化。
　　舉個簡單的例子，大家都說布線盡可能少走過孔，因為過孔會引入信號畸變。可是通過信號線增加過孔換層反可以增強信號回路的連續(xù)性。比如下面這個例子，三根線信號均為100M的數(shù)據(jù)線：

　　對左圖來說看起來比較順暢，也是大多數(shù)人比較傾向的布線方式，右圖下面的信號“憑白”增加了兩個過孔，貌似不太順眼。其實左圖存在著嚴(yán)重的回流障礙，可以看到黃線所示為兩條信號回路的電流完整路徑（從上方繞行的回流較遠(yuǎn)，電流小很多，忽略掉），存在共路問題。一方面是共路阻抗會引起共路干擾，另一方面兩個電流環(huán)嵌套，存在比較大的互感，在100M的數(shù)據(jù)線上互感噪聲是很可觀的，如果豎線引起的缺口長5cm，寬3mm的話，互感噪聲達(dá)到幾百mV是很容易的，如果是一組數(shù)據(jù)線的話，足以使干擾達(dá)到1V以上，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤或時序紊亂；而右圖通過增加兩個過孔則使兩個電流路徑分離開，沒有了嵌套的電流環(huán)，共路問題也得到極大改善！
　　那么，在100M的數(shù)據(jù)線上增加過孔不會導(dǎo)致信號畸變嗎？這就是上面我談到的量化的問題。如果你對過孔做一下模型分析的話，可以發(fā)現(xiàn)我們通常用的過孔可以簡化等效為一些電感和電容的組合，其自諧振頻率在5G-10G左右，對200M以下的信號影響還是很小的，最多就是引入幾十ps的沿錯位和少量的信號失真，相對信號回路分割來說，影響要小得多。
　　大家往往對數(shù)�；旌想娐泛透哳l電路有一些恐懼感，其實里面涉及到的東西也不是很復(fù)雜，主要就是模型提取及簡化，再一個就是一些簡單的計算。不要太迷信于別人的經(jīng)驗，別人也是道聽途說得來的，很多是通過反復(fù)制版湊出來的經(jīng)驗，是理論的擦邊球，并沒有切中要害的。真正的從理論上深入分析才能獲得更大的進(jìn)步，對一個新的PCB設(shè)計也能做到一版成功。
　　當(dāng)一天你看到板子上兩根線能大概心算出其間干擾強度的時候，再做板就很容易做出取舍了:)

注：
　　文中計算公式以及模型的建立做了簡化處理，也存在一些搞笑成分，好讓大家覺得不是非常十分很枯燥呵：）不過，還是盡可能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮�。另外可能按不同公司算出來會有一些差異，但�?yīng)當(dāng)不會相差50%，因為這里最關(guān)心的不是具體的值，因為很多原因，計算出來的值總會跟實際值有很大差異，我們最關(guān)心的是它們之間的相對關(guān)系。這點，我們的模型和計算已經(jīng)足以說明問題。

　　水平有限，如有誤還忘能通過郵件告知呵：zjd01@eyou.com
　　或者在BLOG里留言:)祝大家每天開心！

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