数据线滤波-Coilcraft.pdfVIP

Copyright ? 2013, Coilcraft, Inc. Document 155-1 Revised 07/19/95 数据线滤波 介绍 噪声是电气设备设计人员担忧的一个重要问题，因 意外的或不明的噪声源所引起的电子设计故障并不 罕见。美国联邦通信委员会（FCC）和其他管理机 构严格执行其噪声要求，这就使噪声成为决定一台 电子设备最终成败的关键因素。此文件将论述与电 气和电子设备有关的噪声的一些重要属性，特别是 低信号数据线设备，数字设备就是其中一种。此外 还会对一些简单的滤波方法进行讨论。 噪声源 功率转换器是众所皆知的噪声源；它们通常产生共 模（相对于地线，出现在所有信号和共用线上）和 差模噪声（出现在信号和回路之间）。来自功率转 换器的噪声在开关频率的谐波中往往占据了大部分， 但也会有一些宽带噪声。由于功率转换器都在低信 号电路的附近，它将是决定数据线系统总体可靠性 的一个主要因素。由于温度（热噪声）、不同材料 的接触（接触噪声）和接线装置的电子空穴移动 （散料噪声），半导体装置可以成为噪声源。数据 线系统模块的磁性元件（例如，功率转换器的变压 器或其他高 Q 元件）可以通过振铃产生噪声。 设备的逻辑电路是另一个重要的噪声源。逻辑电路 开关时，局域电源可短暂间对地短路，直接对地面 和直流电源产生噪声，影响整个电气系统。 内部噪声有很多来源，位于数据线电路的附近，如 相邻的电路板或周围的磁性元件（变压器、混频器 等等）。半导体噪声也可扩散到临界敏感的逻辑线， 进入或来自于数字系统时钟和进入到数据线。 外部噪声可产生于设计控制范围外的许多来源。高 频噪声可发生在输电线上，重叠在 60 Hz 的信号而 通常不影响电力线路，但对数据线传输而言很危险。 辐射噪声会冲击一台电子设备的许多部件，特别是 通过无屏蔽的电缆或没有有效接地的外壳。电缆是 产生电磁干扰的一个重要因素。电缆通常是电路元 件和模块之间最长的线路，这就为形成一个环形天 线来辐射和接收外部产生的噪声场提供了有利的条 件。 噪声信号 图 1 所示的是一个典型的适于工厂情形的 60 Hz 线路电压（110 Vrms）的实际正弦波。波形包含 图 1. 工厂线路源 远远高于线路频率的随机噪声电压。图 2 所示的是 60 Hz 波形的 2 mS 部分，噪声脉冲短于 5 μS， 达到 50 V 的峰值。在波形图的析象范围外还可能 存在更高频率的噪声。 受污染的线路电流直接传导至与该噪声源机器连接 着相同线路的其他机器和装置；噪声电压也可以透 过从这些机器周围的空气辐射来测量到。 线路滤波器一般置于敏感设备的前端以改善上面提 到的 50 V 高频工厂噪声情形。通常，一个线路滤 波器由一个低频共模磁体构成，它允许（差分）线 路电流自由通过而不会使磁性材料饱和（差分模式 Copyright ? 2013, Coilcraft, Inc. Document 155-2 Revised 07/19/95 图 2. 线路的 2 mS 部分 产生的磁通线路相互抵消；这是共模电磁设计的一 个主要方面）。然而，线路源和回线的共同噪声会 被衰减。 线路滤波器是通过大幅削减约达 10 MHZ 的频率来 清理进来的 60 Hz 线路信号，超过此频率，衰减有 效性就变得越来越差（图 3）。高频线路偏差的情 图 3. 典型的线路滤波器响应 况的确存在，经常会避开线路滤波，影响数据线设 备低压数据传输的完整性。特别易受影响的是设备 间的数据传输。另一个问题是，事实上工厂使用的 设备所需符合的噪声要求相对没有那么严格，尽管 这些机器有可能影响其他较为敏感的机器（图4）。 图 4. FCC 噪声极限 当然，许多数据线装置和设备并不用于工厂的恶劣 环境。例如，要求符合 FCC 的 B 级极限的设备通 常不需要应付输电线上所发生的 50 V 噪声；然而， B 级装置对当前数据线设备环境的低强度/很高频 率的噪声越来越敏感（图 4）。对在高时钟速率和 波特率下运转的设备噪声尤其敏感。 数据线设备的系统时钟是设计工程师关注的一个问 题。图 5a 显示的是一个有寄生高频成分和潜在问 题区域的 20 MHz 时钟信号。图 5b 显示的是一个 没有噪声的 20 MHz 时钟信号。 图 5a.有高频噪声的 20 MHz 时钟 图 5b.干净的 20 MHz 时钟信号 无论是在局域网络内或是通