典型的共模干扰在电路内部传输的机理

dianyuan@work 2022年10月4日10:45:43
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在产品的测试标准CISPR14-2/GB4343.2中,以电快速瞬变脉冲群测试为例,在标准中对于电源接口的电快速瞬变脉冲群测试,电快速瞬变脉冲群干扰信号是通过耦合/去耦网络中33F的电容耦合到主电源线上的。对于信号接口或/0接口的电快速瞬变脉冲群测试,电快速瞬变脉冲群干扰信号是通过容性耦合夹中1001000pF的电容耦合到信号线或/0线上的。标准规定的电快速瞬变脉冲群的干扰波形为5ns/50ns(50ns为脉冲半峰值时间),重复频率为5kHz,脉冲持续时间为15ms,脉冲群重复周期为300s。因此,单个电快速瞬变脉冲干扰波形的频谱主瓣在100MHz以内,即它的频率是5kHz~100MHz的离散谱线,每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

从测试标准的结构配置可知,施加干扰的耦合电容是一个高通滤波器,因为电容的阻抗随着频率的升高而下降,所以干扰中的低频成分不会耦合到被测设备上,而只有频率较高的干扰信号才会进入被测设备。通过大量的试验数据可以知道,电快速瞬变脉冲群的干扰一般不会损坏产品电路,产品内部电路都有相应的电平和噪声承受能力,进人产品内部的外来共模噪声在产品内部会转换为差模干扰电平,一旦这个差模干扰电平超过了电路、器件的噪声容限,就可能导致电路无法正常工作,使受扰设备的工作出现故障,比如程序混乱、死机、复位、数据丢失等,从而导致产品的性能下降或功能丧失。

电快速瞬变脉冲群干扰信号的频率范围高达64M,以高频干扰为主,其能量虽小,但它能通过传导和辐射的方式对电路产生干扰。从传导的路径进行分析,在进行电快速瞬变脉冲群测试时,需要把相应的瞬态干扰施加到被测设备的电源线、信号线、或者产品需要测试的位置。

通过经验或进行电路等效发现,产生电快速瞬态脉冲群干扰问题的最主要原因是:电快速瞬变脉冲群干扰电流以共模的形式从电源系统或V0接口线缆流入产品的内部,然后进人PCB,再到接地线或电缆、PCB对地的寄生电容、器件对地的分布电容,形成共模干扰电流回路。当共模干扰电流流经集成电路或者信号线时,如果敏感的信号线或者器件(比如,复位信号、片选信号、晶振等)正好放置在干扰电流路径的范围内,则可能引起系统复位、死机、停止工作等,更为严重的是器件损坏。

因此,为了分析被测设备能否通过电快速瞬态脉冲群测试,应该先找出电快速瞬变脉冲群干扰电流在系统内部的所有电流路径,再找出该路径周围存在哪些敏感的信号线和敏感器件,然后采取改变产品架构或改善接地方式及接地点位置来改变干扰电流的路径,还可以采用移动敏感信号线或器件的位置等方法。一般情况下,一个PCB设计上只会存在少量的敏感点,而且每个敏感点也会被限制在很小的区域内。在把这些敏感点找出来并采取适当的措施后,就能提高产品的抗干扰性能。对于辐射方式进入产品的PCB内部,一个比较重要的方法是要缩小信号线回流的回路面积。

在实际应用中,对于一根载有60MHz以上频率的电源线来说,即使长度只有1m,由于导线长度已经可以和信号传输频率的波长相比拟,因此也不能再以普通传输线来考虑。电快速瞬变脉冲群干扰信号在线上的传输过程中,一部分依然可以通过传输线进人受试设备(传导路径),另一部分要从线上逸出,成为辐射信号,进人受试设备(辐射方式)。因此,受试设备受到的干扰实质上是传导与辐射的结合。很明显,传导和辐射的比例与电源线的长度有关,电路越短,传导成分越多,从而辐射比例越小。反之,辐射比例就大。

再来看电快速瞬变脉冲群对于开关电源的设计。开关电源电路本身对电快速瞬变脉冲群干扰的抑制作用很小,究其原因主要在于电快速瞬变脉冲群干扰的本质是高频共模干扰。

开关电源电路中的滤波电容都是针对抑制低频差模干扰而设置的,其中的电解电容对于开关电源本身的纹波抑制作用尚且不足,更无法针对谐波成分达到60MH以上的电快速瞬变脉冲群干扰有抑制作用。在用示波器观察开关电源输人端和输出端的电快速瞬变脉冲群波形时,看不出有明显的干扰衰减作用。这样看来,就抑制电源所受到的电快速瞬变脉冲群干扰来说,采用电源的输人滤波器(共模电感及共模滤波组件)是一个重要措施。

开关电源电路中高频变压器设计的好坏,对电快速瞬变脉冲群干扰有一定的抑制作用。开关电源一次侧回路与二次侧回路之间的跨接电容,能为从一次侧回路进入二次侧回路的共模干扰返回一次侧回路提供通路,因此对电快速瞬变脉冲群干扰也有一定的抑制作用。

开关电源输出端的共模滤波电路的设置,也能对电快速瞬变脉冲群干扰有一定抑制作用。开关电源电路本身对电快速瞬变脉冲群干扰没有什么抑制作用,但是如果开关电源的电路布局不佳,则更会加剧电快速瞬变脉冲群干扰对开关电源的入侵。特别是电快速瞬变脉冲群干扰的本质是传导与辐射干扰的复合。即使由于采用输入滤波器抑制了其中传导干扰的成分,但在传输电路周围的辐射干扰依然存在,依然可以通过开关电源的不良布局(开关电源的一次侧或二次侧回路布局太大,形成了大环天线)感应电快速瞬变脉冲群干扰中的辐射成分,进而影响整个设备的抗干扰性能。

针对电快速瞬变脉冲群干扰,最通用的抑制办法是采用共模滤波器(电源线和信号线的滤波)及用铁氧体磁心吸收,其中采用铁氧体磁心吸收的方案既便宜又有效。

dianyuan@work
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