聞春國(guó) 譯

高速傳輸用低成本濾波連接器的開發(fā)

聞春國(guó) 譯

近年來，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

無線電和通信工業(yè)的銅基接觸件嚴(yán)重依賴模塊插孔即電話輸出端口連接器(TOC)，連接器用戶不僅對(duì)便捷的連接器件非常熟悉，而且越來越依賴其互連器件。隨著這些器件的演變和改進(jìn)，越來越需要確保在通過系統(tǒng)的互連器件之后，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不受外界影響，反過來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)衰減值和各線路阻抗的低通濾波器阻抗的相關(guān)公式。可以利用低頻下的不同材料將l MHz頻率時(shí)的通過信號(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，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發(fā)出幾種專用濾波器件。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。另外，它還可以規(guī)定濾波器件的濾波特性來達(dá)到各種特性。因此，鐵氧體濾波塊的磁性特性可以通過焊接引線之間的塊來形成，而差分模式濾波則可以通過在接觸對(duì)之間留一個(gè)空隙來實(shí)現(xiàn)。如果讓每個(gè)接觸件引線穿過鐵氧磁塊中的單獨(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，即所謂的鐵氧體磁性材料。鐵氧體材料可以分為兩大類，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)用來說，損耗系數(shù)大幅上升，說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)廠家在低場(chǎng)強(qiáng)(低于10高斯)、室溫和沒有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，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)參見表2所示。

圖1 溫度與初始導(dǎo)磁率關(guān)系曲線

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)無用的噪音信號(hào)產(chǎn)生無限阻抗。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，并與模塊插孔插合在一起。插孔焊接引線端接在100Ω、1/8W碳膜電阻器上。阻抗分析儀則通過一個(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))來說，阻抗分析儀SMA連接器(沒有平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器)連接到兩個(gè)插頭上。端子1和2兩個(gè)鄰近引線焊接在一起，而對(duì)于相隔較遠(yuǎn)的引線，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)于普通模式單端來說，可以通過一個(gè)濾波器連接一根0.25m導(dǎo)線。衰減值的測(cè)量可采用HP 3122網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成。

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一個(gè)鐵氧體磁體開孔。

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)果參見表6。有趣的是，沒有濾波時(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，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

一般來說，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，濾波器不需要接地，因而沒有電路干擾問題。由于它采用模塊化設(shè)計(jì)，故無需焊接。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。這些特性參見表9，其中還計(jì)算出每條線路的標(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。可以通過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)，也可以通過減少連接器的組裝工序降低連接器裝配成本來控制其總體成本水平(相比于未加濾波功能的連接器)。此外，還可以通過增加濾波元件，減小PCB板上濾波元件的空間占比來維持最終產(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)