Решение проблемы электромагнитной совместимости и защиты интерфейсов Владимир Рентюк - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

219
Решение проблемы электромагнитной совместимости и защиты интерфейсов Владимир Рентюк

Интерфейсы USB 2.0 - USB 3.1, HDMI, CAN, Ethernet (100 и 1000 Base-T), VGA, DVI, RS232 и RS485 являются обычными для передачи данных в промышленном оборудовании, а также индустриальных компьютерах и аппаратуре широкого применения. Именно они являются их входом и выходом во внешний мир, через который они обмениваются данными. Но одновременное это и место их уязвимости. Особенно это касается аппаратуры и оборудования, работающего в жестких условиях индустриальной среды с высокими скоростями передачи/приема сигналов. Здесь они подвергаются воздействию разрядов статического электричества и влиянию внешних электромагнитных помех (ЭМП), кроме того, в связи с современным трендом к все большей миниатюризации внутренние линии связи и разъемы входа/выхода, в том числе и интерфейсов, подвергается воздействиям от рядом работающих каскадов и, в свою очередь, так или иначе влияют на их функционирования.

Для того чтобы избежать сбоев в работе оборудования и обеспечить обмен данными в той экосистеме, в которой оно эксплуатируется, необходимо принимать соответствующие условиям эксплуатации и категории оборудование те или иные меры защиты. Как правило, под этим подразумевается защита от разрядов статического электричества (ESD protection, ESD - Electrical Static Discharge, «ESD – защита»), переходных процессов от воздействия коротких импульсов иной природы, например, при включении находящихся в непосредственной близости индуктивных или емкостных нагрузок. Кроме того, для сохранения скорости передачи и целостности сигнала необходимо применять меры к ослаблению нежелательных сигналов, в общем случае они рассматриваются, как электромагнитные помехи (ЭМП). Для этого сейчас введен специальный термин «Signal Integrity», который понимается, как наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала.

Кроме того, важна правильная организация тракта передачи данных в целом, именно это имеет первостепенное значение для выполнения все более жестких требований по электромагнитной совместимости (ЭМС). Если технические решения по уменьшению собственных излучаемых и подавлению негативного воздействия внешних ЭМП не будут приняты вовремя, то это может привести к отказам при испытания конечной аппаратуры на выполнение требований ЭМС. Подробно о данной проблеме смотрите адаптированную для украинского читателя серию статей [1], в которой вы найдет требования соответствующих международных стандартов, стандартов Украины, сведения по методикам измерений и сертификации аппаратуры коммерческого, индустриального и специального назначения, особенностей проведения сертификационных испытания и то, как выходить из затруднительных положений в случае неудачи.

 

Проблемы ЭМС симметричных линий передачи данных

Хотя этот вопрос уже неоднократно рассматривался в технической литературе и инженерных журналах, рассмотреть его еще раз в рамках данной публикации не будет лишним. Для простоты остановим свой выбор на привычном интерфейсе USB. Этот интерфейс в физической реализации представляет собой двунаправленный симметричный интерфейс и в общем виде изображен на рис.1.

Как известно, симметричные технологии передачи имеют существенные преимущества с точки зрения сохранения целостности сигнала, они отличаются более низким излучением помех и более высокой устойчивости к помехам, однако нарушения симметричности могут привести к обратному результату. Рис.2 дает здесь более подробное объяснение.

Измеряемыми величинами здесь являются:

- VSYM – симметричное напряжение помехи между сигнальными проводами;

- VASYM – несимметричное напряжение помехи между средним значением напряжения и опорным напряжением (общим проводом) и заземленной экранирующей оболочкой кабеля.

Как видим, на передачу сигналов может влиять как дифференциальная, так и синфазная помехи. Причем эти оба напряжения помех могут быть и от самого интерфейса из-за неидеальности линий связи или как электромагнитное воздействия извне по причине индуктивной и емкостной связи с иными цепями.

 

Излучение ЭМП

В случае USB, дифференциальные помехи в основном представляю собой помехи, вызванные нелинейными гармониками сигнала, причина которых лежит в рассогласования линии связи (неидеальной симметричностью, в том числе и нагрузки) и неадекватной схемотехники. С учетом наличия асимметрии тракта передачи, т.е. системы: передатчик, печатная плата и токопроводящие дорожки, фильтры при их наличии, кабель к приемнику, данная ситуация (она приводит к внесению неоднородностей в тракт передачи) может привести к чрезмерному излучению помех и ухудшение качества сигнала.

Синфазные помехи возникают от наводок окружения USB контроллера, которые обычно воздействуют на линии по причине наличия емкостной связи, а их проникновение в полезный сигнал увеличивается по мере увеличения частоты помехи и ее амплитуды. Этот тип помех наводится на обоих передающих проводах в одной и той же фазе и с одинаковой амплитудой и, следовательно, не оказывает влияние на полезный сигнал. Однако любая асимметрия в кабеле или в приемнике преобразует изначально синфазный сигнал в дифференциальную помеху, что затем может внести свой вклад в ухудшение полезного сигнала. Рис.3 как раз иллюстрирует этот случай.

 

Помехоустойчивость

Дифференциальная технология передачи данных, когда речь идет о влиянии помех на USB, по сравнению с использованием обычного коаксиального кабеля, обеспечивает значительное преимущество. Рис.4 как раз демонстрирует влияние помех на коаксиальный кабель. В зависимости от эффективности экранирования коаксиального кабеля, импульс электрического поля, излучаемый линией питания, проложенной параллельно с сигнальным кабелем, проникают в линию передачи данных. При большой амплитуде и длительности такого воздействия это приводит к потере данных или ошибкам связи.

В рассматриваемом нами случае именно технология симметричной передачи имеет многочисленные преимущества, включая меньшее излучение ЭМП и более высокую помехоустойчивость, как это видно из приведенного ранее рис.2.

На рис.5 показан вариант передачи данных в дифференциальном режиме по витой паре. Полярность предполагаемого сигнала меняется на противоположную, поэтому распространяются одинаковые, но противоположные сигналы. Разность сигналов оценивается на входе приемника. Интерференционный сигнал (то есть сигнал внешней ЭМП) воздействует на оба провода в одной и той же фазе (то есть, он является для линии синфазный), поэтому он вычитается и не оказывает мешающего воздействия на полезный сигнал, принятый приемником. Естественно, в том случае, если приемник в состоянии справиться с уровнем такой синфазной помехи.

Кроме того, в случае воздействия магнитной составляющей ЭМП (помеха, наведенная за счет индуктивной связи), уже само по себе скручивание проводов обеспечивает ее компенсацию. Компенсация осуществляется из-за симметрии распределенных индуктивностей соответствующего витого провода и наведенной в каждом проводе линии помехи и, поскольку их векторы является противоположными по знаку, компенсируют одна другую.

 

Возможности для снижения излучения ЭМП и повышения помехоустойчивости

Совершенно очевидно, что на практике полностью избавиться от излучения и воздействия ЭМП просто нереально, поэтому требования к устойчивости к помехам имеет свои иногда весьма жесткие требования. Причина генерации ЭМП и снижения помехоустойчивости весьма разные и имеют ряд нюансов.

Однако основными источниками проблем здесь являются следующие:

·          Неидеальная симметричность по входу/выходу USB контроллера.

·          Разводка платы выполнена с нарушением требований, характерных для высокочастотной техники и не совестима с требованиями по ЭМС. Причина этого наличие паразитных емкостей и отсутствие согласования по волновому сопротивлению.

·          Схемное решение фильтра не обеспечивает заданное подавление помех, кроме того, фильтры влияют на целостность сигнала.

·          Неидеальная конструкция разъема, а его заземление на общий провод неэффективно, что в свою очередь снижает эффективность экранирования экрана кабеля и плохо сказывается на функционировании фильтров подавления ЭМП.

·          USB кабель не является идеально симметричным, он может иметь некачественное экранирование и недостаточное заземление (особенно если в целях экономии использовать дешевый «не брендовый»). Такой кабель ухудшает качество передаваемого сигнала, сам по себе излучает помеху в виде гармоник сигнала и имеет недостаточную защиту от внешних источников ЭМП помех.

 

Методы снижения излучения ЭМП и повышения помехоустойчивости

Если мы имеем дело с интерфейсами с высокой скоростью передачи данных, таких как USB 3.1 (Gen 1 и Gen 2), HDMI 4K, DisplayPort или GBit LAN, то мы должны принять все необходимые меры для того, чтобы элементы защиты не подавили основную гармонику, но при этом необходимо выполнить еще одно условие. Скорость передачи связана с так называемой частотой Найквиста. В цифровой обработке сигналов под ней подразумевается частота, равная половине частоты дискретизации. Если спектр сигнала не имеет составляющих выше частоты Найквиста, то сигнал может быть (теоретически) дискретизирован и затем восстановлен без искажений.

Основными элементами, используемыми для ослабления наведенных помех, являются синфазные дроссели (Common mode choke, CMC). Однако, что касается высокоскоростных интерфейсов, то в силу их специфики, здесь требуется чрезвычайно низкая емкость между линией передачи данных и землей, а ее значения, как известно, сильно зависят от свойств синфазного дросселя и определятся его конструкцией. Так что в нашем случае такой дроссель должен иметь высокую степень симметрии и одновременно максимально низкую паразитную емкость между его двумя обмотками. Кроме того, относительная магнитная проницаемость его сердечника должна иметь низкую действительную часть в частотном диапазоне передачи сигналов данных. Это связано с тем, что необходимо уменьшить нежелательные отражения от дросселя, который своим присутствием вносит неравномерность в тракт и, как следствие, влияет на уровень возвратных потерь (потерь на отражения). А вот мнимая часть относительной магнитной проницаемости в диапазоне подлежащих фильтрации частот должна быть как можно более высокой.

Помехи в виде переходных процессов (коротких всплесков напряжения. сопровождающихся гармонически затухающим высокочастотным процессом) и бросков всплесков напряжения («иголки» или пачки импульсов), а также помех от разрядов статического электричества, обычно могут быть ограничены варисторами. Особенно часто, разработчики, останавливают свой выбор на многослойных варисторах для монтажа на поверхность (SMD). Такие варисторы отличаются быстрым срабатыванием и выдерживают высокие уровни поглощаемой энергии. Однако их емкость, как правило, слишком высока, что может привести к нарушению целостности сигнала, и определенно делают их непригодными для ограничения переходных процессов в линиях данных высокоскоростных интерфейса. Решение по ограничению переходных процессов с диодами, для рассматриваемого нами случая на пример USB, показано на рис.6. Переходные процессы ограничены относительно земли как на D +, так и на D- вплоть до прямого падения напряжения (forward voltage) UF диодов. Это напряжение составляет около 0.7 В для кремниевых диодов.

Поскольку воздействие осуществляется с высокой скоростью нарастания, то проблема появляется очень быстро, на рис.6 она показана молнией. Как известно сигнал напряжения при работе USB на «средней скорости» равен 2.8 В (от D+ до D-), то есть, оно будет составлять 1.4 В относительно земли. Таким образом, чтобы избежать ухудшения сигнала по причине использования более высокого напряжения, положительная ветвь должна быть обеспечена соответствующим смещением.

На рис.7 показано более продвинутое решение. Дополнительный TVS-диод (специальный полупроводниковый диод, предназначенный для подавления выбросов напряжения) с ограничением напряжения 6 В устанавливает пороговое значение приблизительное на уровне 6,7 В. Этого вполне достаточно для эффективной защиты, TVS-диоды с более низкими напряжениями ограничения слишком медленные, чтобы ограничить воздействия вызванные разрядами статического электричества и нам здесь не подходят. Соответствующие интересующие нас уровни напряжения показаны на рис.8.

Ограничение импульсных помех на линиях подключение напряжения питания может быть так же достигнуто с помощью дополнительного диода D5, показанного на рис.7. Хотя емкость TVS-диода находится на достаточно низком уровне в 5 пФ, она все же может быть слишком высокой для высокоскоростного интерфейса. Но VR1 включен последовательно с диодами D3 и D4, что снижает общую емкость. В итоге это оказывает влияние на сигнал, и эта емкость уже становится не настолько критичной. Это связано с тем, что диоды D3 и D4 имеют собственную емкость всего около 2 пФ. Поскольку емкости с D3 и D4 по отношению к сигналу соединены последовательно, общая емкостная нагрузка между сигнальными линиями составляет всего 2 пФ, а сигнальной линии относительно земли составляет около 3 пФ.

 

Защита линий питания

Для напряжения питания можно использовать π-фильтр нижних частот с двумя керамическими конденсаторами и катушкой индуктивности, как это показано на рис.9). Однако здесь важным параметром является допустимый рабочий ток (важно не вызвать насыщения сердечника), который всегда указывается в справочных материалах, но, как правило, для температуры 20°С. Так что катушка индуктивности для фильтра должна выбираться соответственно уровня тока и условиям применению конечного продукта.

Почему рекомендуется выбор π-фильтра? Дело в том, что в данном случае и генератор помехи, и ее приемник в источнике питания имеют низкий импеданс, а именно фильтр такой топологии в данном случае как раз и дает нам высокие вносимые потери. Но он должен быть модифицирован к виду, представленному на рис.10, а чтобы ослабить воздействие высокочастотных помех от линии электропитания, нужно использовать фильтр нижних частот с частотой среза, равной приблизительно 1/10 частоты Найквиста, соответствующей скорости передачи данных.

 

(Окончание следует).

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus