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“静地”的作用【EMC学习】

“静地”的作用【EMC学习】

【现象描述】

某产品采用屏蔽结构机柜, 面板上有一个用来监控的 RS232 串口, 使用 RJ45 连接器,串口电路在控制板上。该串口通过一根编织屏蔽的屏蔽电缆与本产品中的 AC/DC 电源模块的告警串口相连接。串口线长度是1. 5 m, 但它在100 MHz处产生的辐射异常强烈(经过定位), 超出了 EN55022 CLASS B 限值15 dB 以上。

【原因分析】

I/O电路的大部分 EMI 问题来自于以下几个方面:

(1) I/O 电路元器件或 I/O信号本身产生的共模噪声;

(2) 电源平面上的噪声耦合到I/O电路及导线上;

(3 ) 时钟信号容性耦合或感性耦合到I/O信号线或电缆上;

(4) 机壳地、数字地、模拟地等地之间不正确的连接;

(5 ) 混用不同的连接器(如将金属阴头连接器接到阳头的塑料连接器等);

在本案例中,串行口所在 PCB板的大致结构如图所示。

断开串口线与控制板的连接,100MHz处的辐射大大降低,证明于扰源来自控制板而非AC/DC电源模块的电源线。

“静地”的作用【EMC学习】 博主推荐 第1张

同时也怀疑辐射是由于屏蔽串口线的屏蔽层与金属结构体之间搭接不良而造成的,因为屏蔽电缆屏蔽层在连接器处搭接不良是结构设计中常见的 EMC 毛病,如果存在搭接不良,该处会在高频下产生较高的阻抗,该阻抗犹如“Pigtail 有多大影响 ”中所提到的“Pigtail” (原理见相应案例),最终产生辐射。

用铜箔胶带将电缆的屏蔽层与控制板面板良好搭接,情况没有改善。

在串口线上,靠近 RJ45 连接器处 将屏蔽层剥开一缺□, 剪断电缆里面的RX、TX 及GND 线,电缆屏蔽层仍通过 RJ45 连接器接产品面板(金属),测得100 MHz的辐射减小到 30 dBµV/m, 说明屏蔽串口线的辐射为电缆内部的信号耦合到屏蔽层上引起的。

仅接上刚才断口的 GND 线,测得100 MHz处的辐射又增大到 62 dBµV/ m, 证明控制板 PCB 上的 GND 非常不“干净",充满共模噪声 ;

再断开电缆内的 GND 与控制板 PCB 板 GND的连接,而用铜丝将 GND 线与 PCB板内部的保护地 PGND ( PGND 为控制板外围的一圈)相连(此产品中的GND 与 PGND 是通过 4 个 0Ω电阻和 6 个电容相连的,所以此动作在电路原理上没有改变),测试100MHz处的辐射为61 dBµV/ m, 证明控制板 PCB上的PGND 噪声也很大。

控制板中的 GND 与 PGND 是通过 4 个0Ω的电阻和 6 个电容相连的,试验中去除这些电容、电阻后再进行测试,情况没有改善。又注意到 PGND 在控制板内的面积较大,可能会通过近场耦合拾取板内的噪声。

把 RJ45 取下,剪断两根地针 ,再用一根约 3 cm长的细线引出PIN 4 脚 (GND 针),但此细线在机柜内部悬空,100 MHz处还有 46 dBµV/m。把此悬空细线改为接到机柜面板金属壳体上,100 MHz 处的辐射较小,为 37 dBµV/m, 说明机框内100 MHz 处的辐射很大。

将细线改接到PCB板的GND 上,100 MHz处的辐射立即又增大到 57 dBµV/ m。将细线改为通过一个 100Ω/100MHz的磁珠接到PCB板的地上,100MHz处的辐射降为 51 dBµV/ m。

再在磁珠后面加一个220 pF 的电容接到机柜的金属面板(即外壳)上, 100 MHz 处的辐射降为32 dBµV/ m。

将磁珠 L1 去掉, 100 MHz处的辐射又变为 49 dBfLV / m , 再接上磁珠 L1 , 而去掉电容 C1, 将 L1 直接接到面板上, 100 MHz处的辐射下降到34 dBfLV / m 。 由此可知, 用如图2所示原理的连接方式, 即GND 用磁珠与金属面板相连,也可以满足辐射发射 CLASS B 的要求。

“静地”的作用【EMC学习】 博主推荐 第2张

在处理好 GND 线的基础上, 接上 RX、T X信号, 100 MHz处的辐射又升为54 dBµV/ m,说明 RX、TX 信号 线也需要进行滤波去耦处理。RX、TX 信号线上串接100Ω/100MHz的磁珠, 100 MHz的辐射下降 4 dB,为 50 dBµV/ m; 加上磁珠后,将220 pF 的电容接到金属面板上,即TX、RX信号线上进行滤波, 如图3所示,则100MHz 处的辐射变为33 dBµV/ m, 又下降了 17 dB。

“静地”的作用【EMC学习】 博主推荐 第3张

PCB 中的分割是一种减小 PCB中各子系统间 RF 耦合的一种重要技术。在本案例中,l/O 信号及地本身带有共模噪声, 在设计之初已考虑采用分割的方法, 画出一块“静地”。“静地”应该是没有噪声的地平面。但是由于进出静地的信号,包括 RXD、TXD 等均没有进行滤波去耦处理,从而导致“静地”分割失败。

【处理措施】

在上述对策过程中,图2、图3 中的“金属面板” 实际上是用一小块铜笛胶带粘贴金属面板上作为机柜金属面板延伸出来的地。由于金属面板与机柜整体有良好的连接,相当于零噪声地,所以从金属面板延伸出来的地也是 EMC 意义上的“静地”。

另外,串口电路需要考虑浪涌防护,根据先防护后滤波的原则, TVS 需要加在电容与磁珠的前面。综上所述,可得到 RS232 串口最简单的滤波电路, 如图3所示。

设计 PCB 时,“静地” 与 PCB 板的 GND 仅通过磁珠连接。“静地”与金属面板的连接方式为:“静地”通过 RJ45 金属连接器外壳插针连接 RJ45 金属外壳,再通过 RJ45 外壳簧片连接金属面板; 磁珠跨接GND 和“静地” 之间的分割线处。实际PCB 布局、布线如下图4所示。

“静地”的作用【EMC学习】 博主推荐 第4张

【思考与启示】

该产品中最后使用的滤波、浪涌防护原理图及PCB 设计图可供一些有较大金属外壳设备的串口电路参考。同时也要注意以下几点:

(1) RJ45 连接器必须为金属外壳的连接器,RJ45 安装面板处必须是金属。

(2 ) “静地” 的方法只有在内部 PCB 板 GND 存在很强的高频噪声的情况下,即串口接口内部电路地噪声较大的情况下使用。

(3 ) “静地”面积不能太大, 否则会使感应板内的噪声不能起到静地的作用。

(4 ) “静地”区域不能有电源平面、GND 平面及任何其他非串口走线。

(.5 ) “静地”要与金属面板、RJ45 连接器外壳相连接。

(6 ) “静地” 与板内的GND 相连的磁珠必须跨接在 GND 与静地之间的分割处,TX、RX 信号上的磁珠也要跨接在GND 与“静地” 之间的分割处。

(7) 不得不提的是,设计“静地”一定要很小心,如果设计“静地”之后,两个被分割的地平面之间有相互通信的器件,就不适用“静地”并采用磁珠跨接在两地之间的方式。在这种情况下,设计良好的地等电位才是最好的出路,可降低共模压降,采用电容连接才能弥补地分割后两地之间在高频下的电位差。

(8 ) “静地”上必须不存在任何数字信号的回流,因此也称为“无噪声地”。“静地”应与机壳良好搭接,搭接阻抗(主要是电感)要尽可能地减小,可采取多点搭接方法,以 保证“静地”和机壳具有相等的电位。“静地”和数字地之间仍保持电气连接。连接器处 的每条 I/O 线包括信号线和回流线都应分别并联高频旁路电容至“静地” , 去耦环路的电感越小越好, 如可用表面安装式电容, 这样外部干扰, 如静电、浪涌脉冲等如通过I/O线侵入,则还没有到达元器件区域时就被旁路电容旁路到设备的机壳上,从而保护了内部元器件的安全工作。同时,I/O线所携带的 PCB 共模干扰电流在输出前也通过旁路电容被旁路了。

注:以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》

 

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