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电路信号线间串扰机理及措施研究

发布时间: 2022-06-24 22:17:23 来源:火狐体育网页版 作者:火狐体育在线投注

  在电路的信号传输线路中,不论是板- 板之间的导线,还是板内器件间PCB 上的覆铜走线,都常存在突然上升或下降的阶跃电压或电流,表现的特征为较大。若电路线路设计不当,传输线路之间可能会存在线间相互影响,从而导致波形失真,更有甚者会超出电压容限此类寄生参量,对于具有较高频率成分的电压电流,感性和容性特征会表现出一定的频率响应特性,这些参量随着频率的变化而动态变化,从而引起不同频率成分的电压电流与走向不同的传播路径,形成等电路特性,通过分析相关寄生参量的频率响应特性,得出电路对各频率成分的阻碍作用或导流作用,最终结合仿真实验与理论分析,探索改善的解决措施。

  任何的接收端都会存在高电平最低可接受阈值(VHmin)与低电平最高可接受阈值(VLmax)。

  干扰源处于在下降沿的时候,会在扰信号上产生向下的尖峰脉冲(图1A);若此时扰信号为高电平,扰后的电平一旦低于阈值VHmin ,则有被误判为低电平的风险。

  同理,上升沿的时候,扰信号上会产生向上的尖峰脉冲(图1B)。若此时的扰信号为低电平,扰后的电平便存在高于阈值、被误判为高电平的风险。

  数字电路中,存在一种常见的随机偶发故障,会不定时、不分场合地偶尔发生,是典型的小概率事件,在实验室中很难再现。后面的章节对这类故障进行了详细的理论机理剖析、仿真以及实验实测验证。

  任一周期信号可以分解为复正弦信号的叠加,对于任意电压信号的方波,可以看作直流电压分量与一系列高次谐波(与基频w 成整数倍的正弦波)成分的叠加(余弦波与正弦波的不同在于900 的相位差,而在频率和幅值特征上与正弦波特性相同)。(峰值为1 V、频率为1 kHz、上升/ 下降时间为10 ps、10 μs 的方波的FFT 图像如图所示(图2),当上升/ 下降时间增大,FFT 所示图像中高频部分明显减少,由此得出结论:上升沿tr 时间越短,上升沿越陡,其高次谐波的成分就越多;下降沿同理。因此,在工程设计中,即便是基频不高的开关特性,也有可能产生较高次谐波,其原因就是tr 上升沿与ts 下降沿较为陡峭。

  数字电路中普遍存在高、低电平两种状态,以方波形式频繁跳变,因此任意方波里存在DC、低频fL 、中频fM 、高频fH 全频谱频段的谐波。

  趋肤效应,出现高频特性——当交变电流通过导体时,由于导体中心部的感抗大于外部,电流集中在导体表面通过,该现象被称作趋肤效应。长直导体可以看作由多根理想导线组成的导线束:当恒定的直流电通过导体时,内部电流分布均匀;而当能够引起感应磁场的变化电流通过导体时,理想导线产生环形感应磁场进而产生感应电流,由于导线束中心部分的导线磁力线相对外部更加密集,中心部分感应电流与电感更大。

  ρ 为导线电阻率(Ω),d 为导线长度(m),S 为导线在特定频率下的电流导通截面积(m2)。

  H 为趋肤深度(m),ρ 为电阻率(Ω),交变电流的频率f =ω / 2π (Hz),磁导率 = 相对磁导率×真空磁导率(μ = μ ×μr 0 )(H/m),其中线 H/m。

  PCB 板上的相邻导线或板板间线束中的相邻导线,具有线间的分布电容。两根金属材质的导线之间存在着电路板的板材(绝缘介质)、导线绝缘胶皮层、空气等不导电绝缘材料,可以视作两个导体之间充满了绝缘介质,因此具备了分布电容的典型特征。

  、导线自身存在着直流电阻特性RDC(RDC 一般很小,处于mΩ 级别,当mA 级别的信号电流流过,其引起的问题小到几乎可以忽略,因此分析导线特性在电路中的问题时,可以简化掉其影响;而在电流较大的电能传送中则不可忽略)。

  2.3.1等效电路截取设备内部两根相邻平行导线)直流电流成分通过时,导线的金属成分呈现电阻特性,对电流有阻碍作用,用串联电阻R1 表征;

  由于信号线在高频下也存在电感和电容特性,并非只存在电阻特性,因此脉动电流传输中,导线上电压电流不再是简单的符合欧姆定律的比例关系,电感与电容对电流的阻碍作用都受频率影响,由此引发了影响信号质量的一系列问题:

  通过式(4)和(5)可知,感抗与流过电感的交变电流的频率成正比,而容抗与交变电流频率成反比;由此在一定的频率范围内,对感抗、容抗做定性分析可得出:

  按照电流优先流经低阻抗路径的规律,可以得出,组成方波的全频段谐波中,低频段主要走感抗路径,高频段主要走容抗路径,中频段则一部分走感抗路径,一部分走容抗路径(图5)。由上分析,流经传输线路的交变电流频率越高,流经分布电容路径的电荷越多、流经电感路径的电荷越少。

  将干扰源支路的数字方波信号进行傅里叶变换,可以将方波信号看作DC、fL 、fM 、fH 四类频率段的谐波组合。由于电路特性随频率变化呈现出不同程度的阻碍作用,电路信号流向由此发生变化:其中几乎全部的高频段谐波与一定的中频段谐波在流经电路时,通过分布电容路径流入扰支路,干扰源支路出现频率成分缺失,扰支路则混入多余的频率成分,两路信号都会出现信号畸变,即原始信号传输线上出现信号失真、而临近的线路上出现被串扰干扰现象。当畸变信号超出各自接收端电压容限的临界限值,就会出现运行故障。图5 示意了当高电平被下降沿串扰干扰后,下冲的尖峰超出VHmin 导致信号错误的情形;实际中还存在低电平被串扰,产生上升尖峰的情形;干扰源信号路径的接收端也会出现诸如回勾、振荡等类型的波形,一旦超出了该路径接收端的

  、接收电路的输入阻抗; R3 、R4 构成扰支路的信号线串入电阻和接收端输入阻抗。信号源XFG1 为10 MHz、上升沿/ 下降沿时间为2 ns 的方波信号。

  将干扰源信号修改为50 MHz 方波,则干扰源支路接收端信号与干扰支路接收端信号波形特征分别变为图8 的特征,与图7 对比,干扰源支路接收端的波形畸变更明显,而扰端的串扰特征明显更严重。

  类比抑制声音传播的三个角度——声源、传播途径、接收端,解决信号传输问题同样可以分解为输出端、传输路径与接收端三个方面,而其中输出端与传输路径解决问题更具有可实施性:

  M甚至fH频率下,ωL也变得很低(相对于分布电容支路),就会有更多的高频谐波走ωL通路传输,一则干扰源支路的信号失真会变少;二则根据能量守恒定律,扰支路的分流耦合也会随之变少,串扰与失真的问题均可大大减弱。具体措施如下。1)降低线路感抗传输线路中趋肤效应表现为电感特性,因此降低感抗可以从导线的趋肤效应入手,降低其对信号的阻碍作用。当信号频率一定时,趋肤深度不变,减小导线长度、增加导线横截面积,都能起到减小感抗的效果。导线横截面不变的情况下,把导线变为扁平薄片状,使其厚度小于或等于两倍的趋肤深度,这样能够保证较高频率下,导线内部不存在电流传导空白区因此导电面积更大、感抗更小。现实中改善串扰问题该方式可行性较高。2)提高分布电容容抗

  ,电容极板距离增大→电容容值减小→容抗增大。因此将可能发生串扰的两根线的间距拉开,可达到增大容抗的目的。

  ,若地的容性足够大,那么适量的电荷变化量,就不会在地电容上引起较为明显电压变化ΔU ;由于PE/Gnd 足够稳定,因此地与扰信号支路之间不会通过C

  但需要注意,该方法只能对扰线路起保护作用,阻拦来自其他线路的串扰,并不能避免干扰源支路线路本身的信号失线 总结在电路的信号传输过程中,使用的方波信号是多变的,其对应的是不同的谐波组合。导线的寄生参量是普遍存在的,且受流经信号频率的影响,严重时可能出现接收端信号错误、设备出现故障的情况;因此在设计电路时,研究电路中可能存在的寄生参量是非常有必要的。

  在信号传输电路中,虽然寄生参量无法彻底消除,但可以通过合理的电路设计与信号传输措施有效降低其对电路正常运作的影响,例如文中所提到的降低信号中的中高频电信号成分、增设地线隔离、改变导线厚度以及电路线路分布情况都能有效改善由于导线寄生参量的频率响应性导致的线路串扰问题。

  [1] 武晔卿.电路设计工程计算基础[M].北京:电子工业出版社,2018:25-30.[2] 张勇.傅里叶变换在数字图像处理中的应用[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2015(3):27-29.

  [4] 巴腾飞.SiC MOSFET桥式电路串扰问题分析及抑制方法研究[D].北京:北京交通大学,2016.

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