Уменьшение ЭМП с помощью разъема для работы с графическим дисплеем 4K2K

Опубликовано в номере:
PDF версия
Электромагнитная совместимость позволяет не только защитить оборудование от воздействия внешних электромагнитных помех, но и предотвратить собственное излучение этого оборудования. При увеличении частоты помехи источниками ее излучения становятся даже небольшие элементы, например места пайки разъемов к печатной плате. В статье рассматривается конструкция полностью экранированного разъема для современного графического дисплея.

Введение

Экранированный разъем для графического дисплея (вилка и SMD­розетка на печатной плате)

Рис. 1. Экранированный разъем для графического дисплея (вилка и SMD­розетка на печатной плате)

Через открытые места пайки разъема современного графического дисплея, т. е. части контактов розеток, которые при монтаже на поверхность припаиваются к печатной плате, передаются сигналы со скоростью до 5,4 Гбит/с. В этих точках могут наводиться электромагнитные помехи (ЭМП) с частотой Найквиста до 2,7 ГГц, из­за которых возникает шум в диапазонах несущей частоты многих устройств беспроводной связи, которые находятся в непосредственной близости с монитором. Для предотвращения ЭМП и соблюдения требований по электромагнитной совместимости их необходимо экранировать, что, как правило, достаточно сложно реализовать на практике. Чтобы не использовать в таких случаях металлизированную ленту или дополнительный металлический экран над всем разъемом, применяются решения со встроенным экраном над открытым местом пайки ответной части разъема (рис. 1). Подобные решения не требуют дополнительных операций, деталей и материалов, увеличивающих стоимость конечной конструкции.

 

Сбалансированное заземление в точках обжима кабеля

Заделка дифференциального микрокоаксиального кабеля в высокоскоростных разъемах представляет собой клетку Фарадея. Подготовленная сборка с коаксиальным проводом имеет открытые экраны, которые припаиваются к общей шине заземления сверху и снизу, создавая прочную и надежную заземляющую конструкцию. Она полностью заполняет пространство между коаксиальными проводами, как видно из рис. 2.

Конструкция заземляющей шины в корпусе разъема и ее практическая реализация

Рис. 2. Конструкция заземляющей шины в корпусе разъема и ее практическая реализация

Конструкция шины соединяет все экраны отдельных коаксиальных проводов. Кроме того, шина обеспечивает надежное механическое крепление коаксиального провода в разъеме и позволяет избежать механического напряжения проводов в случае, если пользователь при отсоединении потянет за кабель.

Конструкция шины оснащена дополнительными контактными элементами, которые обеспечивают заземление и установлены между каждой парой коаксиальных проводов с дифференциальными сигналами. Такое решение гарантирует самый короткий и, что немаловажно, симметричный путь к земле для токов экранирующей оплетки проводов с высокоскоростными сигналами. Путь тока показан синими стрелками на рис. 3.

Сбалансированное экранирование с помощью общей заземляющей шины

Рис. 3. Сбалансированное экранирование с помощью общей заземляющей шины

Конструкция заземления с дополнительными заземляющими элементами позволяет реализовать коаксиальную сбалансированную линию для передачи высокоскоростных дифференциальных сигналов (рис. 4).

Дифференциальный сигнал состоит из двух импульсов противоположной полярности

Рис. 4. Дифференциальный сигнал состоит из двух импульсов противоположной полярности

Из­за несбалансированного подключения могут генерироваться электромагнитные помехи большого уровня, обусловленные проблемой дифференциально­синфазного преобразования. Эти помехи называют дифференциально­синфазным шумом или потерями поперечного преобразования при передаче (Transverse Conversion Transfer Loss). Коэффициент Scd21 количественно определяет преобразование части дифференциальных сигналов в синфазные. На рис. 5 показано сбалансированное подключение, где емкость для положительной линии компенсирует наличие аналогичной по величине емкости для отрицательной линии. При использовании корректно подобранной конструкции заземляющей шины значение Scd21 при нагрузке составляет около –25 дБ.

Сбалансированная линия передачи из двух коаксиальных кабелей

Рис. 5. Сбалансированная линия передачи из двух коаксиальных кабелей

 

Экранирование мест контакта кабельной сборки на печатной плате

После того как подготовленная кабельная сборка прикреплена к корпусу вилки поверх области, где заканчиваются коаксиальные провода, накладывается верхняя металлическая оболочка корпуса, выполняющая роль экрана (рис. 6).

Экранирующие элементы вилки для контактной зоны

Рис. 6. Экранирующие элементы вилки для контактной зоны

Этот экран припаивается к заземляющей шине сверху и снизу разъема (рис. 7).

Экранирующие элементы вилки, смонтированные сверху и снизу на шине заземления

Рис. 7. Экранирующие элементы вилки, смонтированные сверху и снизу на шине заземления

Путь заземления экрана проходит через крышку разъема от экранов коаксиального провода. Они прикреплены к заземляющей планке, а та, в свою очередь, — к корпусу штекера. Корпус заглушки совместно с корпусом розетки (рис. 8) предоставляет кратчайший путь к заземлению вдоль нижнего пролета корпуса с контактами, как видно из рис. 9. Короткие пути заземления позволяют увеличить скорость передачи сигналов.

Заземляющий барьер разъема

Рис. 8. Заземляющий барьер разъема

Соединение между защитной крышкой разъема и корпусом розетки, а также между защитной крышкой и заземляющим барьером состоит из подпружиненных контактов, которые механически сцепляются друг с другом (рис. 9). Величина отверстия между крышкой и платой вне области пайки контактов розетки на плату не превышает 3 мм. В результате высокочастотные сигналы с очень короткими длинами волн не покидают область, определенную клетками Фарадея.

Нижние контакты, заземляющие экран корпуса розетки

Рис. 9. Нижние контакты, заземляющие экран корпуса розетки

Вид сбоку на разрез разъема (рис. 10) и вид снизу на заземляющие контакты (рис. 9) позволяют составить представление о полном экранировании и путях заземления через интерфейс разъема. Путь токов заземления экрана проходит через экранирующую оболочку разъема от экранов коаксиального провода, которые припаяны к шине заземления, подключенной к корпусу вилки. При сочленении экранирующая оболочка вилки сцепляется с корпусом розетки, создавая электрический контакт. Такое решение обеспечивает кратчайший путь к общей земле вдоль всех нижних контактов розетки. Короткие и симметричные пути заземления позволяют получить хорошие характеристики для передачи высокоскоростных сигналов.

Пути токов через сопряженные соединения к общему заземлению

Рис. 10. Пути токов через сопряженные соединения к общему заземлению

Зазор между экранирующей крышкой/шиной заземления и местами пайки контактов розетки на плату рассматривается как область, где может произойти короткое замыкание. Конструкция, представленная на рис. 11, обеспечивает зазор величиной 0,202 мм.

Рис. 11. Гарантированный зазор, предотвращающий короткое замыкание

Чтобы сравнить излучение графического разъема с экранированными местами пайки контактов розетки и без экранирования, был проведен анализ напряженности электрического поля с помощью пакета CST Microwave Studio, который представляет собой набор инструментов для проектирования, моделирования и оптимизации трехмерных электромагнитных систем. На рис. 12 показан пример с заданием условий для моделирования (Simulation set­up).

Условия моделирования для оценки влияния экранирования на места пайки контактов розетки графического разъема

Рис. 12. Условия моделирования для оценки влияния экранирования на места пайки контактов розетки графического разъема

Трехмерное моделирование электромагнитных полей было выполнено около одной стороны разъема в местах контактов 2–3, а также около его середины в области контактов 20–21. Было проанализировано также третье место — между элементами заземления экранирующей крышки и пружинными элементами крышки рядом с контактами 8–9. Условия для моделирования на рис. 12 заданы с использованием шаблона назначения сигнала как GSSGSSGSS (G – заземление, S – сигнальный контакт).

Напряженность электрического поля E измеряется в единицах В/м. Для анализа напряженности E‑поля эти единицы преобразуются в децибелы по формуле дБмкВ = 20lg (V) + 120 мкВ. В этом случае для указания уровней напряженности поля используются цветовые градиенты, которые легко воспринимаются и проще анализируются. Поскольку электростатический поток ослабляется или блокируется металлическими предметами, о качестве экранирования можно судить по ослаблению электронного поля.

На рис. 13 сравниваются напряженности E‑полей (электрическая составляющая электромагнитного поля) при передаче сигнала через разъем графического дисплея с местами пайки контактов розетки с экранирующей крышкой и без нее. В испытании применялся стрессовый сигнал частотой 20 ГГц.

Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 20 ГГц

Рис. 13. Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 20 ГГц

Результаты моделирования напряженности электрического поля для трех положений – контактов 20–21, 2–3 и между пружинными элементами заземления при частоте 2,4 ГГц (скорость передачи около 5 Гбит/с) показаны на рис. 14, а при частоте 5 ГГц (скорость передачи около 10 Гбит/с) – на рис. 15.

Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 2,4 ГГц

Рис. 14. Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 2,4 ГГц

 Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 5 ГГц

Рис. 15. Результаты моделирования напряженности электрического поля на частоте 5 ГГц

Результаты ясно показывают, что в случае, когда места пайки контактов розетки закрыты экранирующей крышкой, E‑поля из разъема графического дисплея ни в одной из областей не излучаются. Как уже упоминалось, скорость передачи данных связана с частотой Найквиста. В таблице приведена эта зависимость в случаях использования основных протоколов.

Таблица. Частоты Найквиста для данных основных протоколов

Протокол

Скорость передачи

Частота Найквиста

PCIe

5 ГТ/с, Gen2

2,50 ГГц

PCIe

8 ГТ/с, Gen3

4,05 ГГц

PCIe

16 ГТ/с, Gen4

8,10 ГГц

USB 2.0

480 Мбит/с

240 МГц

USB 3.0

5,0 Гбит/с

2,50 ГГц

USB 3.1

10,0 Гбит/с

5,0 ГГц

eDP HBR

2,7 Гбит/с

1,35 ГГц

eDP HBR2

5,4 Гбит/с

2,70 ГГц

При скорости передачи данных 5,4 Гбит/с (HBR2) частота Найквиста составляет 2,7 ГГц, что соответствует частоте, которую используют некоторые полосы несущих стандарта LTE. При расположении в непосредственной близости от радиосигнала/антенны LTE-­канала с несущей около 2,7 ГГц на него воздействует излучение от неэкранированных частей контактов разъема для графического дисплея. Соответственно, помехи с частотой Найквиста, излучаемые от открытых паяных контактов соединителей с частотой несущей беспроводной радиостанции/антенны LTE в диапазоне 2,7 ГГц могут привести к блокированию линии связи.

Электромагнитная совместимость обеспечивается с помощью вилки разъема с накидным экраном. Проведем анализ характеристик целостности сигнала. Его целостность при передаче с использованием разъема для графического дисплея проверяется путем анализа характеристик во временной и в частотной областях. Во временной области оценивается импеданс и глазковая диаграмма. Мы ограничимся оценкой неравномерности импеданса (Impedance Discontinuity, TDR). В частотной области оценим: вносимые потери (Insertion Loss, IL); возвратные потери (Return Loss, RL); перекрестные помехи на ближнем конце в паре связанных линий передачи (Near End Crosstalk, NEXT); перекрестные помехи на дальнем конце в паре связанных линий передачи (Far End Crosstalk, FEXT) и коэффициент Scd21 как один из важных параметров для оценки рассогласования дифференциальных линий передачи. Трехмерное дифференциальное моделирование электромагнитных полей (рис. 13) позволяет получить файл s12p, который можно использовать в формате Touchstone.

 

Неравномерность импеданса линии передачи

Симметрично выполненная структура заземления разъема для графических дисплеев позволяет без особых усилий передавать через него дифференциальные сигналы универсального встроенного дисплейного интерфейса eDP со скоростью 5,4 Гбит/с (HBR2) с очень небольшой неравномерностью импеданса. Как правило, скорость передачи данных 5,4 Гбит/с соответствует времени нарастания импульса Tr = 64 пс по уровню 20/80%, но поскольку организация USB­IF предлагает использовать значение Tr = 40 пс для 10 Гбит/с, мы проведем анализ с учетом именно того, что Tr = 40 пс по уровню 20/80% (рис. 16).

Неравномерность импеданса линии передачи сигнала

Рис. 16. Неравномерность импеданса линии передачи сигнала

Средняя неравномерность по импедансу при прохождении сигнала через рассматриваемый нами разъем со скоростью 10 Гбит/с (на частоте 5 ГГц) составляет около 10,2 Ом. Этот результат указывает на то, что у рассматриваемого соединителя – хорошие обратные потери (низкие отражения) и малые перекрестные помехи (высокое разделение между соседними каналами).

 

Вносимые и возвратные потери (s12p)

Вносимые потери у 100‑мм кабеля с использованием микрокоаксиального провода калибра AWG38 с волновым сопротивлением 45 Ом показаны на рис. 17. Видно, например, что при скорости передачи 5 Гбит/с (частота 2,5 ГГц) вносимые потери не превышают уровня 2 дБ.

Результаты моделирования вносимых потерь для графического кабеля длиной 100 мм

Рис. 17. Результаты моделирования вносимых потерь для графического кабеля длиной 100 мм

Возвратные потери у кабеля длиной 100 мм, показанные на рис. 18, становятся неприемлемыми, когда начинают превышать –10 дБ на частотах выше 12 ГГц. В данном случае следует учитывать еще и то, что возвратные потери тем хуже, чем короче кабель. Это связано с тем, что обратный путь для отраженного сигнала меньше и он не успевает затухнуть естественным образом.

Результаты моделирования возвратных потерь для графического кабеля длиной 100 мм

Рис. 18. Результаты моделирования возвратных потерь для графического кабеля длиной 100 мм

Результаты моделирования характеристики перекрестных помех кабеля, представленные на рис. 19, тоже достаточно хороши.

 Результаты моделирования перекрестных помех на дальнем и ближнем концах в паре связанных дифференциальных линий передачи для графического кабеля длиной 100 мм

Рис. 19. Результаты моделирования перекрестных помех на дальнем и ближнем концах в паре связанных дифференциальных линий передачи для графического кабеля длиной 100 мм

 

Выводы

На основании результатов моделирования можно с уверенностью сказать, что конструкция графического разъема eDP­интерфейса со встроенной экранирующей крышкой имеет весь набор необходимых характеристик для работы с существующими дисплеями, в т. ч. с дисплеями с еще более высоким разрешением. При этом решаются и проблемы целостности сигнала, и проблемы ЭМС не только на текущий момент, но и на перспективу, поскольку скорость передачи данных продолжает увеличиваться.

Литература
  1.  I‑PEX. IER‑001–07244–00. Simulation Transmission. January 15. 2016.
  2.  I‑PEX. IER‑001–06877–00. Grounding Bar Design. May 29. 2015.
  3. Bockelman, David & Eisenstadt ­ members IEEE, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 43. No. 7. Combined Differential Common­Mode Scattering Parameters: Theory and Simulation. July 2015.
  4. Gregory A. Young. Shielding 4K2K Display Graphics Connector Solder Tails Mitigates EMI

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *