探析连接器的射频干扰和噪声原理

当今，电子系统的时钟频率为几百兆赫，所用脉冲的前后沿在亚纳秒范围。网络接口传输数据速率为100Mbit/s和155与622Mbit/s（ATM-异步传输模）。高质量视频电路也用以亚纳秒级的象素速率。这些较高的处理速度表示了工程上受到不断的挑战。

这样的挑战之一是射频（RF）干扰，这是由于电磁能量的快速变化引起的。电路上振荡速率变得更快（上升/下降时间），电压/电流幅度变得更大，问题变得更多。因此，今天同以前相比，解决电磁兼容性（EMC）就更艰难了。

在电路的两个波节之前，快速变化的脉冲电流，表示了所谓差模噪声源，电路周围的电磁场可以耦合到其它元件上和侵入连接部分。经感性或容性耦合的噪声是共模干扰。射频干扰电流是彼此相同的，系统可以建模为：由噪声源、“受害电路”或“接受者”和回路（通常是底板）组成。用几个因素来描述干扰的大小：

●噪声源的强度

●干扰电流环绕面积的大小

●变化速率

于是，尽管在电路中有很可能产生不希望的干扰，噪声几乎总是共模型的。一旦在输入/输出（I/O）连接器和机壳或地平面之间接入电缆，有某些RF电压出现时，导致几毫安的RF电流就能足以超过允许的发射电平。

噪声的耦合和传播

共模噪声是由于不合理的设计产生的。有些典型的原因是不同线对中个别导线的长度不同，或到电源平面或机壳的距离不同。另一个原因是元件的缺陷，如磁感应线圈与变压器，电容器与有源器件（例如应用特殊的集成电路（ASIC））。

磁性元件，特别是所谓“铁芯扼流圈”型贮能电感器，是用在电源变换器之中的，总是产生电磁场。磁路中的气隙相当于串联电路中的一个大电阻，那儿要消耗较多的电能。于是，铁芯扼流圈，绕制在铁氧体棒上，在棒周围产生强的电磁场，在电极附近有最强的场强。在使用回描结构的开关电源中，变压器上必定有一个空隙，其间有很强的磁场。在其中保持磁场最合适的元件是螺旋管，使电磁场沿管芯长度方向分布。这就是在高频工作的磁性元件优选螺旋结构的原因之一。

不恰当的去耦电路通常也变成干扰源。如果电路要求大的脉冲电流，以及局部去耦时不能保证小电容或十分高的内阻需要，则由电源回路产生的电压就下降。这相当于纹波，或者相当于终端间的电压快速变化。由于封装的杂散电容，干扰能耦合到其它电路中去，引起共模问题。

当共模电流污染I/O接口电路时，该问题必须解决在通过连接器之前。不同的应用，建议用不同的方法来解决这个问题。在视频电路中，那儿I/O信号是单端的，且公用同一共同回路，要解决它，用小型LC滤波器滤掉噪声。在低频串联接口网络中，有些杂散电容就足够将噪声分流到底板上。差分驱动的接口，如以太，通常是通过变压器耦合到I/O区域，是在变压器一侧或两侧的中心抽头提供耦合的。这些中心抽头经高压电容器与底板相连，将共模噪声分流到底板上，以使信号不发生失真。

在I/O区域内的共模噪声

没有一个通用办法来解决所有类型的I/O接口的问题。设计师们的主要目标是将电路设计好，而常常忽略了一些视为简单的细节。一些基本法则能使噪声在到达连接器以前，降至最小：

1）将去耦电容设置在紧挨负载处。

2）快速变化的前后沿的脉冲电流，其环路尺寸应最小。

3）使大电流器件（即驱动器和ASIC）远离I/O端口。

4）测定信号的完整性，以保证过冲和下冲最小，特别是对于大电流的关键性信号（如时钟，总线）。

5）使用局部滤波，如RF铁氧体，可吸收RF干扰。

6）提供低阻抗搭接到底板上或在I/O区域的基准在底板上。

射频噪声和连接器

即使工程师采取许多上述所列的预防措施，来减小在I/O区内的RF噪声，还不能保证这些预防措施能否成功地足够满足发射要求。有些噪声是传导干扰，即在内部电路板上按共模电流流动。这个干扰源是在底板和电路等之间。于是，这个RF电流一定通过最低阻抗（在底板和载信号线之间）的通路流动。如果连接器没呈现足够低的阻抗（与底板的搭接处），这RF电流经杂散电容流动。当这RF电流流过电缆时，不可避免地产生发射（图1A）。

图1 RF噪声为何到达电缆

使共模电流注入到I/O区的另一机理，是附近有强的干扰源的耦合。甚至有些“屏蔽”连接器也无用，因为干扰源就在连接器附近，如PC机环境。如果在连接器和底板之间有一个缺口，此处所感应的RF电压可以使EMC性能下降（图1B）。

图2 连接器设计选择

屏蔽连接器方法有，加指形簧片或垫片。连接器的搭接，是在连接器和机壳之间填满空处。这个方法要求有一个衬垫（图2A）。金属衬垫较好，只要处理合适，也就是说，只要表面不被污染，只要手不触及或损坏衬垫以及只要有足够的压力，以保持好的、低阻抗的接触。

别的方法是连接器装接头片或者把连接器安装在机壳上。此时，最大接触面稍微小些，且应严格控制接头片的尺寸和弹性。安装屏蔽连接器时，在机壳上开口，开口的一侧要去掉油污（图2B），要仔细制作，若公差不合适，导致连接器在机壳内陷入太深，使搭接中断。每位EMC工程师知道，在“极好”的系统当中，这个问题一定要满足发射要求，并在生产线及时检查。未紧固的或弯曲的衬垫，安装于关键区域（如安装连接器的开口）的油污上，将失效。

由于下述原因选用了EMI连接器;

1）导电发泡塑料是极其柔软的，且能放在连接器的整个周围。这就消除了与另一机壳、衬垫有关的问题。

2）机械工程师可以在系统机壳可接收的公差范围内安装连接器。

3）连接器与机壳实现低阻抗搭接，以保证良好接触。机壳壁内侧上的衬垫，当要涂漆有遮蔽要求时，可以用更柔软的材料。

4）要求强迫冷却的设计，衬垫最好有另一特点：连接器和机壳壁之间的缝应密封起来，以减少气漏。在有尘埃的环境中，衬垫要起到系统内保持干净。

结论

当前市场上有各种各样的连接器，能使设计师为特殊接口，获得最佳设计。