PoC系统所需的电感器和静噪对策解决方案

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1、什么是PoC(Power over Coax)?

PoC是Power over Coax的缩写,是一种通过在信号电缆上叠加电源实现无需另外准备电源专用电缆的传输方法。PoC用于汽车和工业设备,在汽车中被用于ADAS和环视摄像头,有助于简化布线设计和减轻线束的重量。在工业设备中被用于外观检查摄像头等。宽敞的生产线需要较长的电缆,但是通过使用PoC可以减少电缆数量并简化布线。

传统传输系统和PoC之间的区别

传统传输系统和PoC之间的区别

PoC系统应用实例

PoC系统应用实例

2、 PoC所需的电路

PoC多用于SerDes接口,其中串行器和解串器通过同轴电缆连接。在该同轴电缆上,高频信号和直流电流叠加在一起。在这种情况下,将配置偏置T电路,以防止高频信号串入电源线中,或者直流电流流入解串器中。偏置T电路中使用了阻断直流并同时使高频通过的电容器,以及阻断高频并同时使直流通过的线圈。本文中将用于偏置T电路的电容器称为偏置T电容器。

PoC系统的典型电路构成

Bias-T电感器所需的特性

由于Bias-T电感器的作用是阻止交流电并通过直流电,因此该电感器必须具有高阻抗。如果阻抗过低,则交流信号成分会泄漏到电源线,并且沿同轴电缆传输的信号成分会衰减。

Bias-T电感器

关于Bias-T电感器所需要的特性
测量信号线的特性阻抗

我们调查了Bias-T电感器对信号线特性阻抗的影响。
将网络分析仪连接到配备了SerDes IC或Bias-T电路的基板上,并通过TDR法测量了特性阻抗。

关于Bias-T电感器所需要的特性 测量信号线的特性阻抗

测量信号线的特性阻抗
传输线的特性阻抗会根据基板的布线设计和元件的位置而变动。通过抑制这种变动并使之保持平滑,传输特性将得到改善。为了保持平滑,Bias-T电感器的阻抗必须足够高。因为如果Bias-T电感器的阻抗较低,则传输线的特性阻抗将下降。右图显示了将Bias-T电感器替换为短路片的极端例子。可以确认特性阻抗从50欧姆迅速变化到0Ω。

测量信号线的特性阻抗

3、Bias-T电路对SI的影响

Bias-T电感器所需的特性-较广的频率范围

理想的电感器阻抗会与频率成比例增加,但实际的电感器却并非如此。阻抗曲线呈抛物线形。
为了找出PoC用的Bias-T电感器需要在哪个频率下具有较高的阻抗,我们在频率轴上测量了SerDes的信号成分。
结果发现,SerDes的信号分布在较宽的频率范围内,Bias-T电感器需要在较宽的频率范围内具有高阻抗。

PoC系统(SerDes)的信号频率成分测量方法

PoC系统(SerDes)的信号频率成分测量方法

用于验证的Bias-T电路的特性

由于单个普通电感器不能覆盖较宽的频率范围,因此需要将具有不同自谐振频率的多个电感器进行组合以覆盖较宽的频率范围。另一方面,为Bias-T开发的电感器LQW32FT系列单体可覆盖较宽的频率范围,因此可以减少电感器元件的数量。

用于验证的Bias-T电路的特性

测量SI

我们确认了多个电感器的组合和针对Bias-T开发的LQW32FT两者之间在SerDes信号的SI(Signal Integrity)上是否存在差异。
组合多个电感器时,阻抗曲线不稳定,因此信号波形受到干扰。另一方面,使用LQW32FT系列时,信号波形被正常传输,未受到干扰。

测量SI

信号线透射特性(S21)和反射特性(S11)

波形完整性的下降是由传输线的传输特性的劣化所导致的。
查看偏置T信号传输端的穿透特性S21,可知使用LQW32F系列时的特性更佳。
另外,反射特性S11也在使用LQW32FT系列时较为良好。

信号线透射特性(S21)和反射特性(S11)

4. 电缆对SI的影响

测量系统

为了确认车载同轴电缆的特性对波形的影响,我们让信号发生器的信号流过车载同轴电缆并用示波器观察波形,同时通过S21测试了电缆的透射损耗特性。

测量系统

电缆的透射损耗特性(S21)

更改电缆长度后发现,电缆越长,高频波形质量下降越明显。这就说明,电缆对SI的影响不容忽视。测试Bias-T电感器时,必须通过包括电缆在内的测试系统确认S参数。

电缆的透射损耗特性(S21)

5、电源噪声对PoC系统的影响

直流-直流(DC-DC)转换器通常被作为PoC电路的电源IC使用,但是由于直流-直流(DC-DC)转换器在内部进行高速开关,因此开关噪声可能会成为问题。由直流-直流(DC-DC)转换器引起的开关噪声问题会对PoC系统产生不良影响的事例已经得到了确认。开关噪声可以在差模和共模两种模式下通过同轴电缆进行传导。

开关噪声可以在差模和共模两种模式下通过同轴电缆进行传导

差模噪声引起的问题
开关引起的电源噪声对SI的影响

PoC信号在同轴电缆的中心导体和屏蔽层之间以差模方式传导。在不受外部噪声影响的情况下,可以保持良好的波形质量。但是,如果开关噪声进入同轴电缆并以差分模式传导,则波形质量可能会下降。

差模噪声引起的问题 开关引起的电源噪声对SI的影响

我们确认了多个电感器的组合和针对Bias-T开发的LQW32FT两者之间在SerDes信号的SI(Signal Integrity)上是否存在差异。
组合多个电感器时,阻抗曲线不稳定,因此信号波形受到干扰。另一方面,使用LQW32FT系列时,信号波形被正常传输,未受到干扰。

测量开关引起的电源噪声对SI的影响

为了确认开关控制的直流-直流(DC-DC)转换器噪声造成的影响,我们将Bias-T电感器和同轴电缆连接到直流-直流(DC-DC)转换器,并用示波器确认了其对波形的影响。
此时,信号发生源为3Gbps,并且使用了开关频率为200kHz的直流-直流(DC-DC)转换器。

测量开关引起的电源噪声对SI的影响

以下是用示波器观察到的波形。观察到的波形为3Gbps的高频和200 kHz的低频叠加后的波形。3Gbps信号的基准电位以200kHz的周期进行变动。变动幅度为约70mV。由于基准电位的变动可能会对通信产生不良影响,因此我们讨论了如何使基准电位稳定。

Bias-T电感器:LQW32FT(10uH+47uH)

讨论通过添加Bias-T电感器来降低开关噪声

为了抑制200kHz噪声,我们在直流-直流(DC-DC)转换器和信号线之间安装Bias-T电感器的地方添加了100uH电感器LQH3NPH101MME。通过对Bias-T电感器以串联方式添加100uH的电感器,可以增加200kHz左右的低频区域的阻抗。

讨论通过添加Bias-T电感器来降低开关噪声

改善后的结果

更改电缆长度后发现,电缆越长,高频波形质量下降越明显。这就说明,电缆对SI的影响不容忽视。测试Bias-T电感器时,必须通过包括电缆在内的测试系统确认S参数。

改善后的结果

共模噪声引起的问题
开关引起的电源噪声对辐射噪声的影响

接下来,考虑开关噪声在同轴电缆的中心导体与屏蔽层之间以共模方式传导的情况。
共模噪声往往会增加辐射噪声电平,因此开关噪声有可能会引起辐射噪声问题。

辐射噪声问题

开关引起的电源噪声对辐射噪声的影响及测量方法

为了测试同轴电缆辐射的噪声,我们按以下方法连接内置直流-直流(DC-DC)转换器的基板和内置Bias-T电路的基板,并用同轴电缆将配备Bias-T电路的基板彼此连接,然后用电流探头测量从同轴电缆辐射的噪声。由于要用电流探头夹住同轴电缆,因此检测到的是共模噪声。

开关引起的电源噪声对辐射噪声的影响及测量方法

开关引起的电源噪声对辐射噪声的影响

首先,由于Bias-T电感器预期可以起到滤波器的作用,因此我们在未安装电感器(无滤波器)和已安装电感器(仅电感器)的条件下比较了噪声测量结果,但两者之间几乎没有变化。这可能是因为Bias-T电感器仅对差模噪声有效。

接下来,为了抑制沿中心导体与屏蔽层传导的共模噪声而添加了共模扼流线圈(CMCC*)后,发现能将噪声电平抑制5到10dB。

开关引起的电源噪声对辐射噪声的影响

6、辐射噪声对策实例

接下来,我们尝试使用带有PoC系统的SerDes测试基板测量辐射噪声,并采取了静噪对策。用1.5米的车载同轴电缆连接Tx侧和Rx侧的测试基板,并向Rx侧供电,再测量测试基板工作时的辐射噪声。

测试样品(DUT):SerDes测试基板

初始状态

测量辐射噪声时,在30MHz至2.5GHz的整个范围内均确认到宽带噪声,并且存在超出标准值的频带。

初始状态

近磁场分布测量结果

为了确定基板上的噪声源,我们在基板表面进行了近磁场分布测量。
在SerDes IC的信号线及IC电源线上观测了宽带噪声频谱。此外,在比较两者的光谱形状时,发现其值不同但形状相似。
这表明信号线和电源线具有相同的噪声源。
信号线显示较高的电平,因此SerDes信号很可能是噪声源。

※由于此测试基板上的直流-直流(DC-DC)转换器不是开关控制类型,因此不是由开关噪声引起的磁场分布。

近磁场分布 测量结果

来自Serializer的噪声传导路径(推测)

推测的噪声传导路径如下。

路径①:噪声传导至基板GND、电缆的屏蔽层和信号线。
路径②:路径①的噪声耦合到电源层,噪声传导至电源电缆。

从Serializer IC发送的信号的噪声成分耦合到基板上的GND层,并以共模方式沿同轴电缆传导。(路径①)
噪声成分传导至配备了Deserializer IC的基板上,并且通过在基板内耦合至电源层,从而沿电源电缆以共模方式传导。(路径②)

噪声传导路径

为了对路径①实施对策,安装了信号用CMCC——DLW21SH391XQ2。
为了对路径②实施对策,安装了电源用CMCC——PLT5BPH5013R1SN。
结果,在30MHz到1000MHz之间,与没有滤波器的状态相比,噪声被抑制了10到20dB。

噪声被抑制

村田推荐的共模扼流线圈

共模扼流线圈

 

共模扼流线圈

对策①+②

通过同时采用这2种对策,在30MHz到2.5GHz的所有频率中,最大抑制约25dB的噪声。

对策

7、总结

  • 对于PoC系统,验证了Bias-T电感器对SI的改善以及CMCC对噪声的抑制效果。
  • 通过使用具有宽带特性的电感器(LQW32FT系列),SI得到了改善。
  • 由于电缆对SI的影响不容忽视,因此测试PoC系统的Bias-T电感器时,最好通过包括电缆在内的S参数特性来进行测试。
  • 考虑并验证了直流-直流(DC-DC)转换器的开关噪声对SI产生不良影响的可能性。结果,确认了通过PoC的Bias-T电感器可以减少开关噪声。
  • 确认了直流-直流(DC-DC)转换器的开关噪声和SerDes信号会成为噪声源,并可能使辐射噪声电平恶化。已经发现,共模扼流线圈(DLW21S系列)对解决该问题是有效的。

 

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