高速傳輸用低成本濾波連接器的開(kāi)發(fā)

聞春國(guó) 譯

高速傳輸用低成本濾波連接器的開(kāi)發(fā)

聞春國(guó) 譯

近年來(lái)，同絡(luò)的通信工業(yè)，尤其是歐洲聯(lián)盟EMC信息技術(shù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)對(duì)連接器EMI性能提出了更為嚴(yán)格的要求。不同的是，歐洲連接器供應(yīng)商可以向本國(guó)政府申請(qǐng)?jiān)趫?zhí)行過(guò)程中可暫對(duì)保留與EMC設(shè)備要求存在的差異，而美國(guó)和其它地區(qū)的制造商則必須完全符合其技術(shù)規(guī)定和要求，以免被擠出歐洲市場(chǎng)。同時(shí)，EMI濾波器成本也不應(yīng)該對(duì)其產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生什么不良影響。本文將介紹通信輸出端口連接器 (TOC)所采用的低成本電感濾波器。此外，本文還介紹了一種普通EMI抑制上串聯(lián)電感濾波器件構(gòu)成組合元件的新的解決方案。

連接器;模塊插孔;濾波器;阻抗;導(dǎo)磁率;鐵氧磁性材料

1 引言

無(wú)線(xiàn)電和通信工業(yè)的銅基接觸件嚴(yán)重依賴(lài)模塊插孔即電話(huà)輸出端口連接器(TOC)，連接器用戶(hù)不僅對(duì)便捷的連接器件非常熟悉，而且越來(lái)越依賴(lài)其互連器件。隨著這些器件的演變和改進(jìn)，越來(lái)越需要確保在通過(guò)系統(tǒng)的互連器件之后，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不受外界影響，反過(guò)來(lái)也需要防止其本身的電磁輻射可能會(huì)對(duì)其它系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。為了減小EMI的影響，歐盟制定了《EMC信息技術(shù)設(shè)備指南》，這樣就對(duì)電子產(chǎn)品提出了更為嚴(yán)格的EMI濾波性能要求。所不同的是，歐洲連接器供應(yīng)商可以向本國(guó)政府申請(qǐng)?jiān)趫?zhí)行過(guò)程中暫時(shí)與EMC設(shè)備要求存在一定的差異，而美國(guó)和其它地區(qū)的制造商則必須完全符合其技術(shù)規(guī)定和要求，否則，其產(chǎn)品有可能被排擠出歐洲市場(chǎng)。

在試驗(yàn)條件下，濾波器的頻率范圍為1MHz～1000 MHz。由試驗(yàn)得出，寬帶材料在整個(gè)測(cè)試頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生有效電抗。EMI信號(hào)衰減值與頻率、濾波器外形尺寸和材料之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，本文還將給出信號(hào)衰減值和各線(xiàn)路阻抗的低通濾波器阻抗的相關(guān)公式?？梢岳玫皖l下的不同材料將l MHz頻率時(shí)的通過(guò)信號(hào)的衰減值降為0.02dB，10MHz時(shí)的信號(hào)衰減值降為0.9dB。與此同時(shí)，在500～1000MHz寬頻范圍內(nèi)提供一個(gè)200Ω的插入損耗。

連接器制造商可以幫助設(shè)備制造商解決這一問(wèn)題。其方法就是在連接器中安裝上一個(gè)EMI濾波器件，濾波器件包括電容濾波器和電感濾波器。目前，電感濾波器的使用更為廣泛。這種電感濾波器包括普通模式和差分模式濾波技術(shù)。這些并不是什么新的概念。不過(guò)，增加EMI濾波特性，其增加的成本不應(yīng)對(duì)設(shè)制造商的競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生任何不利影響。產(chǎn)品成本不僅受到連接器本身的影響，而且也要求連接器增大其內(nèi)部空間，以安裝濾波器件。最后，連接器濾波元件的技術(shù)規(guī)范還需要進(jìn)步加以細(xì)化，以便在規(guī)定的頻率和波段范圍內(nèi)達(dá)到普通和/或差分模式的濾波特性。

2 電感濾波器

Berg電子公司采用了獨(dú)特的低成本電感器開(kāi)發(fā)出幾種專(zhuān)用濾波器件。這種電感器可以裝在現(xiàn)有的模塊插孔殼體內(nèi)。其制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)插孔相同，只是增加一個(gè)步驟，即將特殊濾波器滑向焊接引線(xiàn)。另外，它還可以規(guī)定濾波器件的濾波特性來(lái)達(dá)到各種特性。因此，鐵氧體濾波塊的磁性特性可以通過(guò)焊接引線(xiàn)之間的塊來(lái)形成，而差分模式濾波則可以通過(guò)在接觸對(duì)之間留一個(gè)空隙來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果讓每個(gè)接觸件引線(xiàn)穿過(guò)鐵氧磁塊中的單獨(dú)通道即可形成普通模式的濾波器件。在接觸對(duì)上留有局部穿過(guò)磁塊的槽孔即可形成各種規(guī)格的普通模式和差分模式濾波特性。

3 鐵氧材料特性及其選擇

鐵氧體材料主要為鐵的氧化混合物，在外加電磁場(chǎng)的作用下添加少量稀土元素。EMI濾波器鐵氧體材料屬于一個(gè)獨(dú)立的亞類(lèi)，即所謂的鐵氧體磁性材料。鐵氧體材料可以分為兩大類(lèi)，即軟磁性材料和硬磁性材料。當(dāng)拆去外部磁場(chǎng)后，鐵氧體材料的磁場(chǎng)極性很大程度上會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換或去磁(軟磁性材料)或保持原狀或稍有變化(軟磁性材料)。軟磁性鐵氧體材料在EMI濾波器中具有極為廣泛的應(yīng)用。

這一理論說(shuō)明，鐵氧體材料含有顆粒較大的松散粒狀磁疇(直徑約為10－6m)。

磁|疇的磁矩與外部磁場(chǎng)相互吻合。在某些情況下，其物理位移會(huì)伴隨這種磁矩而產(chǎn)生。所耗散的能量除了產(chǎn)生電磁現(xiàn)象外，還會(huì)產(chǎn)生熱、振動(dòng)及其它熱或機(jī)械效應(yīng)。

軟磁性鐵氧體材料用作濾波器主要是根據(jù)其兩種效應(yīng)的綜合作用。首先，導(dǎo)體外部布在EMI電磁場(chǎng);其次，軟磁性鐵氧體材料的磁化極性可以發(fā)生轉(zhuǎn)換。在初始階段，磁疇磁化要么是隨機(jī)的，要么就與外部磁場(chǎng)的EM矢量不相容。當(dāng)一個(gè)隨時(shí)變動(dòng)的信號(hào)沿著一根導(dǎo)體傳輸時(shí)，可以在導(dǎo)體外檢測(cè)到相應(yīng)的瞬時(shí)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)與帶電磁疇發(fā)生作用，而磁疇的內(nèi)部磁場(chǎng)自身也會(huì)改變方向。還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象:在一些磁疇中，內(nèi)部沖量降為零(疊加模式)，而在重新出現(xiàn)時(shí)，其極性會(huì)完全反轉(zhuǎn)或接近相反方向。鐵氧體磁性材料將會(huì)隨著感應(yīng)電磁場(chǎng)的變化而變化。對(duì)于高頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，損耗系數(shù)大幅上升，說(shuō)明這種材料并不適用。

鐵氧體材料對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生重大影響的特性是導(dǎo)磁率、飽和磁通密度、居里溫度和導(dǎo)磁率溫度系數(shù)。鐵氧體材料的特性選擇參見(jiàn)表1。

表1 鐵氧體材料的特性選擇

4 導(dǎo)磁率

導(dǎo)磁率是鐵氧磁體材料中磁通量密度與產(chǎn)生的磁場(chǎng)力的比率。導(dǎo)磁率是磁性材料化學(xué)成分、環(huán)境溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)函數(shù)。而且，系統(tǒng)磁場(chǎng)(如DC偏移或永久磁鐵)都會(huì)影響導(dǎo)磁率。在機(jī)械應(yīng)力作用下，鐵氧體材料的制成元件會(huì)改變其電性能。

這里所討論的特性是指鐵氧體材料的固有的或初始導(dǎo)磁率。這種導(dǎo)磁率是由材料生產(chǎn)廠(chǎng)家在低場(chǎng)強(qiáng)(低于10高斯)、室溫和沒(méi)有DC偏移的條件下確定的。溫度對(duì)初始導(dǎo)磁率的典型影響參見(jiàn)圖1所示。鐵氧體材料的另一個(gè)重要特性參數(shù)是其居里溫度。據(jù)稱(chēng)，環(huán)境溫度高于居里溫度時(shí)其相對(duì)導(dǎo)磁率降到1.0，鐵氧磁材料失去其獨(dú)有的特性。根據(jù)具體的應(yīng)用情況，應(yīng)選擇居里溫度高于預(yù)計(jì)環(huán)境溫度的磁性材料。該區(qū)域的環(huán)境溫度高于居里溫度時(shí)，短暫的偏移(如在回流焊接過(guò)程中)不會(huì)導(dǎo)致材料功能退化或電性能的永久變化。另一方面，長(zhǎng)時(shí)間(30分鐘或更長(zhǎng))暴露于大大高于材料的居里溫度的環(huán)境中可能會(huì)降低材料的電性能。Berg公司的模塊連接器所用的濾波材料，其居里溫度一般在175℃以上。

當(dāng)磁通量不隨磁力的增大而增大時(shí)，磁通量強(qiáng)度就會(huì)處于一種飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，磁通量與磁力之比接近1.0。EMI濾波器中通常采用飽和磁通量電介質(zhì)材料。在材料選擇中，我們一直采用磁通量為3000～5000高斯的鐵氧材料。

典型的鐵氧體濾波器只是一個(gè)矩形鐵氧體材料矩形方塊，其設(shè)計(jì)不應(yīng)影響模塊插孔的整體外形。它還可以采用焊波、焊料浸漬、蒸汽或紅外線(xiàn)回流進(jìn)行處理。鐵氧磁體是導(dǎo)電性較差的導(dǎo)體。鐵氧磁可以接觸屏蔽體和信號(hào)導(dǎo)體，而不至于對(duì)介質(zhì)耐壓產(chǎn)生不良影響。鐵氧磁作為氧化混合物，其電子被氧－金屬鍵緊緊吸引著。Berg公司所用的電感濾波器的最小絕緣參數(shù)參見(jiàn)表2所示。

圖1 溫度與初始導(dǎo)磁率關(guān)系曲線(xiàn)

圖2 頻率對(duì)不同初始導(dǎo)磁率鐵氧材料的影響作用

表2 電感濾波器的最小絕緣特性

帶電感濾波器的模塊插孔

一個(gè)理想的濾波器應(yīng)對(duì)有用的電磁信號(hào)產(chǎn)生零阻抗，而對(duì)無(wú)用的噪音信號(hào)產(chǎn)生無(wú)限阻抗。電感濾波器對(duì)隨時(shí)變動(dòng)的信號(hào)產(chǎn)生串聯(lián)阻抗。阻抗可以用下列公式來(lái)表示:

式中，R和X電抗值取決于頻率大小。模塊插孔電感濾波器參見(jiàn)圖4。

一個(gè)單一濾波器的主要作用是減少某一特定頻率下的EMI噪音。由于電感濾波器產(chǎn)生串聯(lián)阻抗，故衰變應(yīng)用領(lǐng)域要求采用不同的濾波器。所有設(shè)計(jì)和估算的濾波器都可以裝入Breg矩形模塊插孔。圖4表示裝入Breg TOC的三種主要類(lèi)型的濾波器，即普通的單端傳輸濾波器、差分傳輸?shù)牟劭诪V波器和差分和普通組合模。普通模式的單端傳輸和差分傳輸可采用模塊插孔。

圖3 帶電感濾波器的Breg模塊插孔

5 試驗(yàn)條件與設(shè)備

阻抗值采用一個(gè)HP型4191A阻抗分析儀來(lái)測(cè)定。在所有情況下，試驗(yàn)條件應(yīng)盡可能與實(shí)際應(yīng)用情況相同或接近。在不同的模式中，測(cè)量模塊插孔時(shí)可配備一個(gè)0.05m長(zhǎng)UTP引線(xiàn)，并與模塊插孔插合在一起。插孔焊接引線(xiàn)端接在100Ω、1/8W碳膜電阻器上。阻抗分析儀則通過(guò)一個(gè)SMA陰連接器端接在一個(gè)TP101平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器上。

對(duì)于普通模式(單端接觸對(duì))來(lái)說(shuō)，阻抗分析儀SMA連接器(沒(méi)有平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器)連接到兩個(gè)插頭上。端子1和2兩個(gè)鄰近引線(xiàn)焊接在一起，而對(duì)于相隔較遠(yuǎn)的引線(xiàn)，可以在兩個(gè)接插件和一個(gè)屏蔽之間焊接一個(gè)50Ω的電阻器。對(duì)于普通模式單端來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)一個(gè)濾波器連接一根0.25m導(dǎo)線(xiàn)。衰減值的測(cè)量可采用HP 3122網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成。

6 單端普通模式寬帶濾波器

這是最簡(jiǎn)單也是最普通的濾波方法。所有的矩形模式插孔接觸件穿過(guò)一個(gè)鐵氧體磁體開(kāi)孔。

表3 單端普通模式寬帶濾波器不同長(zhǎng)度的阻抗值(采用相同材料)

圖4 模塊插孔濾波器

表4 單端普通模式寬帶濾波器不同頻率下的阻抗(長(zhǎng)度采用7.7mm)

表5 Breg公司與供應(yīng)商單端普通模式電感濾波器在不同頻率下的阻抗值測(cè)試結(jié)果對(duì)比

6.1 普通模式－單端接觸對(duì)

在本試驗(yàn)中，我們以以太網(wǎng)連接所采用一種的差分接觸對(duì)的接地導(dǎo)電屏蔽做了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果參見(jiàn)表6。有趣的是，沒(méi)有濾波時(shí)，由于它是一對(duì)導(dǎo)體，故負(fù)荷在頻率極低時(shí)為純粹的電阻，在頻率為100MHz時(shí)，其電抗為10.8Ω，而在頻率為1000MHz時(shí)，其電抗為123Ω。

表6 配有電感濾波器的普通模式以太網(wǎng)接觸對(duì)

6.2 差分模式濾波器

表7a和7b表示A型電感濾波器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括屏蔽式和非屏蔽式兩種。由此可見(jiàn)，屏蔽對(duì)濾波的作用很小，可以忽略不計(jì)。

表7 a 差分模式濾波器A型屏蔽對(duì)阻抗的影響

表7 b 差分模式濾波器A型屏蔽對(duì)電阻的影響

6.3 濾波器衰減

一般來(lái)說(shuō)，作為阻抗函數(shù)的衰減值(dB)，其計(jì)算公式如下:

式中，ZF為濾波器的阻抗;

ZD為驅(qū)動(dòng)器的阻抗;

ZL為電阻的阻抗。

濾波器的衰減和效率取決于電路阻抗。低頻衰減直接影響信號(hào)的合成，上面我們己經(jīng)作了詳細(xì)的研究。

頻率(MHz)阻抗(Ω) 1衰減值(ZD+ZL) 250Ω (ZD+ZL) 150Ω 0.7 0.023 0.038 10 24.7 0.819 1.326 20 67.4 2.073 3.222 50 120.6 3.419 5.125 80 140.4 3.819 5.738 100 148.4 4.048 5.9974

6.4 帶槽孔的電感濾波器

為差分接觸對(duì)提供一個(gè)濾波器可以使普通模式噪音發(fā)生衰減。實(shí)際上，采用差分傳輸?shù)拿織l傳輸線(xiàn)路的性能可能會(huì)因此得以改善。一般情況下，可采用普通扼流圈來(lái)抑制噪音。

圖5 差分電感濾波器(S1糟和S2組合件)標(biāo)準(zhǔn)特性

7 低成本濾波技術(shù)

與其它濾波器相比，電感式濾波器具有幾個(gè)誘人的特點(diǎn)，從而使之成為人們選擇低成本EMI濾波的首選目標(biāo)。電感式濾波器的成本主要取決于所用的材料、尺寸大小及其重量。不過(guò)，濾波器不需要接地，因而沒(méi)有電路干擾問(wèn)題。由于它采用模塊化設(shè)計(jì)，故無(wú)需焊接。由于很難估計(jì)所有情況下的濾波成本，故有許多特性使得電感式濾波器成本保持在較低的水平。這些特性參見(jiàn)表9，其中還計(jì)算出每條線(xiàn)路的標(biāo)準(zhǔn)成本估算。應(yīng)該指出的是，電感式濾波技術(shù)有其很多優(yōu)點(diǎn)，如寬頻范圍以及對(duì)信號(hào)影響較小。

表9 電感和電容濾波器特性對(duì)比

8 結(jié)論

無(wú)需增加多少成本即可在模塊插孔中增加各種各樣的濾波功能?？梢酝ㄟ^(guò)選擇成本較低的濾波材料使得濾波器在幾何外形上符合性能要求，并可將成本的影響力降至最低。同時(shí)，也可以通過(guò)減少連接器的組裝工序降低連接器裝配成本來(lái)控制其總體成本水平(相比于未加濾波功能的連接器)。此外，還可以通過(guò)增加濾波元件，減小PCB板上濾波元件的空間占比來(lái)維持最終產(chǎn)品的成本。

10.3969/j.issn.1000－6133.2015.02.010

TN784

A

1000－6133(2015)02－0036－06

2015－04－26

試驗(yàn)與檢測(cè)