• April 14, 2024

【usb電腦滑鼠受電磁波信號幹擾】隱藏缺陷2 |纜線高頻傳輸導致電磁雜訊高速介面須先解決射頻幹擾 |解決一次看懂 |

USB 3.1 Type C連接埠美國手機電腦大廠於去年發表,設有一個USB 3.1 Type C連接埠可以使用,其雖號稱傳輸速度USB 3.1傳輸,但附贈纜線USB 2.0 Type C。 不過,那時發表設有USB 3.1 Type C連接埠超輕薄筆電(Ultrabook)後,其後發表款超輕薄筆電、平板電腦、手機,設置USB 3.1 Type C連接埠,主要是射頻幹擾無防治對策。

射頻幹擾成因是電磁波輻射,射頻(RF)訊號於頻段共振,造成射頻訊號電磁波輻射干擾,因而傳遞無線電波訊號。主要原因於有線介面要做傳輸,所用基頻(Baseband)倍頻頻訊號,無線射頻所用頻率重疊,而頻訊號因訊號,所以發生電磁波輻射形成雜訊,但於雜訊輻射能量於無線訊號能量,因此高頻雜訊共振幹擾射頻訊號,即為射頻幹擾。

表1∼3中可看出常用無線通訊頻率,基本上常用有線介面頻率涵蓋,而有線介面實現傳輸時,表3可知,其使用電波頻率屬於超高頻以上頻段,其無線通訊頻率是同一個頻段。目前有線介面所用基頻基本上是6GHz,是,現有無線通訊射頻是6GHz內,不論是有線或無線是6GHz內,因過去有線介面是超高頻頻率傳輸,但現今有線介面是超高頻傳輸,所以射頻幹擾已成無法忽視議題。如果射頻幹擾不解決,那麼介面傳輸無法全面性推廣。

另外,由USB Type C版本綜觀,USB Type C主要支援正反插接、可逆傳輸、PD 5A@100W/20V、音訊(Audio)、解析度多媒體介面(HDMI)/行動畫質結(MHL)、DP/Thunderbolt各種傳輸介面,並資料、電源、音訊、影像四大傳輸介面集大成於一身,而且支援HDMI/MHL、DP/Thunderbolt下一代高清影像傳輸,於射頻幹擾原本解決,如今可預見未來是現有各類無線射頻訊號,或未來前景光明近距離無線通訊(NFC)及無線充電技術,逃射頻幹擾現象。

目前整個產業是射頻幹擾當成電磁幹擾(EMI),是解決電磁幹擾方式處理,但這種方式其可能徹底解決射頻幹擾問題,而是要參考WRF(Wireless Radio Frequency)設計原理,加上高頻設計要優化。

方法是電路板中蓋上電磁波屏蔽殼,屏蔽殼上加貼導電軟膠,以及電路板印刷線路中外加共模扼流線圈,或是脈衝濾波器過濾雜訊,有插口連接器外包覆電磁波屏蔽殼,要求纜線包覆電磁波屏蔽金屬箔。

若要解決射頻幹擾議題,做法是連接器設計,從連接器金屬導體(端子)、絕緣基體(膠芯)、屏蔽殼體(外殼)三零件結構型式、幾何形狀、物料材質、表面處理做修改。

雖然設計後連接器可防治部分射頻幹擾,但電路板上是有些射頻幹擾無法解決,因此印刷電路板線路排列,走線、疊構、層數、厚度納入考量。此外,與控制晶片原廠密切合作,此金屬導體接腳重新排列,使得控制晶片與連接器接腳拉線接排列。

防治射頻幹擾研發過程中,做訊號完整性(SI)頻訊號模擬實際分析,其中阻抗(Impedance)、Pair Skew、延遲(Delay)特性是基本要求,進而近端串擾(NEXT)、遠端串擾(FEXT)、回波損耗(Return Loss)、信號插入損失(Insertion Loss)、差模共模轉換(Differential Mode to Common Mode Conversion)相關特性做完善要求,是眼圖(Eye Diagram)、抖動(Jitter)特性追求盡善盡美,因此「表面電流磁場」分析及「雜訊史密斯場形」分析其中關鍵,連接器上板後實際測試上述基本高頻特性外,加做PNS電磁波輻射全面掃描,各項特性看似,是有其。

由此可見,射頻幹擾高頻連續性及完整性有著密不可分關係,而射頻訊號頻訊號間是兼顧設計。解決了電磁幹擾,並於解決射頻幹擾。反之,將射頻幹擾問題排除,可以電磁幹擾解決。

常態性瞭解決電磁幹擾頻特性給,由此射頻幹擾會面臨無法突破窘境,肇因於印刷電路板傳統上要求頻訊號線路置於表層,實際上置於印刷電路板內層設計理論差異甚,而頻訊號線路動元件上方覆蓋電磁幹擾屏蔽外殼形成感應,導致頻訊號線路高頻特性阻抗驟降。加上印刷電路板上用來隔離串音接地迴路電源負接地,使得頻訊號接地層或兩側接地形成感應,導致高頻差動訊號無法自感耦合,由此高頻產生產生雜訊,以及電源正極訊號無法電源負極訊號各自獨立走線鋪層,會形成雜訊,對射頻訊號形成射頻幹擾,所以接地獨立性是解決射頻幹擾關鍵性因素。

再者,目前金屬導體接腳腳位排列於連接器及控制晶片,雖然連接器接觸位置,本身協會規範定義,但控制晶片接腳排列位置,協會規範內有任何定義。所以連接器與控制晶片於印刷電路板上做拉線連接時,高頻差動訊號之間於電路板上下層穿繞,此外,高頻差動訊號低頻差動訊號形成電路板內上下層穿繞,甚者,高頻差動訊號電源訊號穿繞無可迴避。

由此可見,控制晶片接腳位置排列組義該協會規範定義,如此才能使高頻訊號走線鋪層,才可以將射頻幹擾源頭控制晶片做改善,如此方能防治射頻幹擾漏洩處連接器問題解決。 目前所見取得協會認證過連接器,認證涉及機械特性與外尺寸,於高頻和電氣及電磁波相關特性做測試認證;而已經取得協會認證纜線,其電磁認證標準,於連接器建議規範,相差,而於高頻和電氣及電磁波防治相關特性是降低認證標準,未能射頻幹擾有相關解決辦法。

大家所熟知USB 2.0使用4根接腳,電源和接地各用去1,剩下2條線材負責傳輸訊號,採用稱做差動訊號(Differential Signal)方式傳輸。1根訊號1接地傳輸方式,差動訊號同時2根導線上傳遞訊號,訊號振幅、相位相反。

這麼做有4處,抗幹擾能力,因為外來電磁幹擾同時作用2條導線上(共模雜訊),兩者相減後值不變;傳遞相位相反訊號,2條導線產生電磁場抵消,外電磁幹擾小;再者是因為2條導線負號交替作為判斷,而非採用電壓判斷,因此受到零件温度變化影響;後差動訊號電壓改變幅度可以做到,降低裝置耗電量。

USB 2.0傳輸速度480Mbps,所以差動訊號240MHz,USB 3.0是USB 2.0基礎上新增5條線(包含USB 2.04條總9條),4條線組成2差動訊號傳,提供雙工傳輸能力,剩下1條做整條導線遮蔽以及接地。差動訊號運作頻率上有所增加,240MHz提升2.5GHz,才能達到5Gbps。

運作頻率,溢散出電磁波幹擾其他電器,因此USB 3.0導入了高頻運作時會使用展頻時脈(Spread Specturm Clock)解決。展頻於訊號傳遞來説有有,此USB 3.0主要是擷取處,原本集中2.5GHz頻率能量往上和下延伸,讓原本存在於2.5GHz能量降低,能量降低代表輻射出去電磁波降低了。

USB 3.02.5GHz中心,頻譜能量呈現Sin函數絕對值分佈,下次出現能量集中地方為三次諧波7.5GHz,所以USB 3.0線材規範中有7.5GHz訂出要求。

看到2.5GHz不知道各位讀者有沒有熟悉?目前使用無線傳輸技術大多集中於2.412~2.462GHz這個ISM頻段之間,802.11 b/g/n、藍牙、或是其他使用私有無線傳輸技術滑鼠鍵盤這個頻段之內,USB 3.0差動訊號2.5GHz靠近。USB 3.0展頻之後能量分佈覆蓋到2.4GHz頻段,而且原本單一2.5GHz幹擾展頻後,變成直流到數GHz寬頻幹擾,無法使用濾波器濾波。

USB論壇此一現象,能呼籲製造商遮蔽做好,USB插槽、線材、直到外接裝置端需要做屏蔽接地動作,壓低輻射出來電磁波。

另外,加上電腦主機本身電磁波訊號發生源,而羅技(Logitech)、(Microsoft)無線裝置會提供一顆特地頻率無線收發器,這顆無線收發器安裝主機背後店波、雜訊出沒地處時產生幹擾。

因此,我們可以採取解決方案了,包括:

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電腦和電腦週邊產品電磁波幹擾(EMI; Electro Magnetic Interference),是一項教人氣恨物理現象。它因為無法通過國際上一些電磁波幹擾要求,讓人感到頭痛萬分;同時,其測試結果,往往無法讓人馬上分辨出,是那一部份線路,或是那一部份機構設計,產生電磁波幹擾,而教人感到束手無策。此外,即使讓您找到電磁波幹擾源後,緊接是不知該如何著手解決。這時候,常看到情況是一些經驗工程師,埋首做一些既浪費時間見得防治對策--「嚐試錯誤」(Try and Error)。因此,要如何區隔電磁波幹擾源及其傳輸或耦合途徑,是一門課題。

電磁波幹擾源和其傳輸或耦合途徑,是會並排附近。舉例而言,一部電腦電磁波幹擾源可能來其週邊產品界面連接器(Interface Connectors)上,可能源自其內部及外接配線電磁耦合(Magnetic Coupling),或是印刷電路板佈局。然而,如果國際上電磁波幹擾測試規範,無法提供您區隔電磁波幹擾源及其傳輸或耦合途徑資料,因此,地修改頻譜儀頻解析度(Bandwidth Resolution)顯示範圍,及應用一些基本電磁學常識,迅速區隔電磁波幹擾源是發生那一個線路、週邊或是內部配線及其傳輸或耦合途徑。

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簡單的説,區隔電磁波幹擾源及其傳輸或耦合途徑技術,是研究個別線路輻射(Emission) 特性。輻射強度大小會隨週邊產品工作情況改變而有所改變,而各週邊產品之間頻率輻射強度是各頻率輻射強度平方相加開根號,其公式如下:

因此,電磁波幹擾測試時,只要拔掉或停止待測物週邊工作、移開配線配線之間距離、或是讓功能之線路個工作,馬上可以發現組合下,會得到輻射強度。而透過上述組合得到結果,可以地區隔出電磁波幹擾源及其傳輸或耦合途徑,可能是源自那一些週邊產品或是那一部份線路。

以下先針一些雜訊幹擾源線路特性作一番説,以便掌握如何去區分幹擾源之種類:

這種狀況發生整流二極體「開」或「關」一瞬間。這些雜訊會隨著頻率增加而消失 2MHz 到 5MHz 之間。於其工作週期(Duty Cycle),因此,頻譜儀上峯值(Quazi Peak)讀值時會使用峯值(Peak)讀值 2 20dB 誤差。頻譜儀上整流二極體雜訊,看起來像間隔規律旗桿,排排而站十分。其脈波數目的多寡是和頻譜儀掃描速率成正比,譜儀掃描速率雜訊脈波數目。圖一及圖二即為整流二極體雜訊頻譜儀上顯示情況。(圖一)(圖二)

是源自電源供應器交換線路(Switching Circuit)。和整流二極體雜訊,其輻射強度會隨著頻率增加而減小,且消失 0.5 5MHz 之間,其輻射峯值間隔頻率(ΔF)和電源供應器交換率(Switching Rate),其典型頻率是 20KHz 100KHz。圖三即為典型電源供應器交換雜訊頻譜儀上展開情況。(圖三)

發生選用獨立式而非和電源供應器 EMI 濾波器,這是於 EMI 濾波器內電感器和電容器,電源供應器內電感器、電容器及變壓器形成共振(Resonant)所致。共振頻率點上,整個系統電磁波幹擾衰減能力,會因為過強幹擾峯值(Peak)而亳無作用。而這些頻(Broadband)幹擾峯值出現 200 KHz 2 MHz 頻率範圍。更換及改變電磁波幹擾濾波器內電感器和電容器值,可降低其幹擾峯值或偏移其峯值頻率。圖一及圖四即為電源供應器頻譜儀上顯示共振情況。

寄生諧振(Stray Resonant)是發生於線路高頻工作時,出現或振鈴(Ringing)現象。此種現象發生輸入/輸出(I/O)之線驅動器(Line Driver)、映像管(CRT)偏向放大器(Deflection Amplifier)、電源供應器以及射極隨耦器(Emitter Follower)。此種可能發生任一頻率上,而其振幅大小隨温度、負載及工作電壓大小而改變。舉例而言,一部攜帶式 P III 電腦於時間工作後,其內部可能會因其中央微處理機(CPU)散熱,造成其週邊線路零組件諧振,以至產生高頻幹擾源,這不但會產生高頻輻射,會使其無法工作。

另外,一個電子裝置開機時候,其電源供應器工作頻率可能偏移五秒鐘,這段幾秒鐘時間裡,會造成諧振,直到輸出;一個線驅動器諧振頻率和振幅大小,會使用配線種類或而改變;如 RS-232埠、列表機埠或是滑鼠埠之外接配線,是否金屬接頭或是絞線、金屬編織線,以及外接配線短等,會造成強度輻射結果。

此外,一些磁碟機驅動線路是頻率相位鎖定(Frequency-Phase- Locked)方式來控制其轉軸速率,因此,這些線路產生輻射現象,並非出現在一頻率上,而是驅動線路頻率相位鎖定而任意輻射。同時,這類線路會電源打開瞬間出現寄生諧振,以及經長時間工作後,温度響應而改變其輻射頻率特性。因此,測試及區類線路時,應加以注意,以免誤導。

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視訊雜訊(Video Noise),發生監視器(Monitor)或使用於攜帶式電腦液晶顯示器(LCD Display)文字時脈(Clock)所產生超強諧波(Harmonics)上。假若注意其諧波特性,發現其文字時脈於其點時脈率(Dot Clock Rate),除以形成文字所需要水平掃描點(Horizontal Scanning Dot)數目。而此信號工作週期(Duty Cycle),螢幕上顯示符號種類和數量多寡決定。同時,亮度和強度大小,決定輻射強度因素,因為它和線路負載電流有密切關係。例如螢幕解析度標準 VGA;640 x 480 ;水平掃描為 31.5 KHz,其導出公式如下:

一般而言,一個空白螢幕和一個佈且斷送出 「H」 或 「M」 文字螢幕,它們之間同一頻率輻射差距,會 10 25 dB 之間。因此,測試時將螢幕佈 「H」 文字1,以求達到測試狀況。

假若要影像雜訊頻譜作掃描,可儀掃描頻率(Scanning Frequency)調整「零」,然後調整影像信號諧振頻率,儀上螢幕,顯示出監視器產生輻射峯值,如圖五所示。(圖五)

電腦產品中,邏輯幹擾雜訊可説是見現象。假若系統內部和外部配線沒妥善配置,發生邏輯幹擾雜訊,不但會發生傳導性幹擾測試,同時可能發生輻射性幹擾測試。

邏輯幹擾雜訊出現電源及輸入/輸出(I/O)線上,其範圍發生 5 MHz 以上頻率。大多數例子而言,邏輯幹擾雜訊特性,並非只有單一諧振頻率組成,其輻射諧振頻率,和其基本時脈(Fundamental Clock)頻率,是形成一倍頻關係。舉例而言,一個典型數位系統並非只有使用單一工作頻率,以及使用單一振盪器(Oscillator)或振盪子(Crystal),有些電腦產品,是採用時脈產生器(Clock Generator),同時提供工作時脈系統。因此,只要測試結果輻射頻率著手,其輻射頻率、輻射強度,以及和其主頻振盪器關係表格化,得到發生源相關資訊。只要知道系統工作頻率,其輻射頻率關係表格化,並非一件工作,但假若知道系統工作頻率,輻射頻率和其各振盪器比例(Ratio)先行整理,以便研判是那一個時脈發生源。

如果輻射頻率無法各振盪器主頻率整除,應改其餘數著手。餘數 0.5 則表示輻射頻率二分之一振盪器主頻諧波(Fx/2;其中 Fx 振盪器主頻)。同理,餘數 0.2,0.4,0.8 則表示輻射頻率五分之一振盪器主頻諧波(Fx/5);餘數 0.125,0.375,0.625 則表示輻射頻率八分之一振盪器主頻諧波(Fx/8)。此,要提起是;一個多重組合系統中,輻射干擾可能源自其週邊裝置、模擬信號或是傳輸線耦合,這些是加以考慮因素。

舉例而言,表一一 FCC Class A 系統輻射強度表,而此係統是多個工作頻率各18 MHz、20 MHz 以及將 20 MHz 頻為 10 MHz 振盪器和頻線路組成。表上歸類結果可知, 30 MHz、50 MHz 及 70 MHz 輻射干擾完全源自 10 MHz 時脈。於以上輻射強度並超過 FCC Class A 限制,因此, 10 MHz 工作線路,並非造成超過限制輻射發生源。諧波原理,於時脈 10 MHz 3倍、5倍及 7倍頻,全數率增加而減小,同時輻射強度,因此, 60 MHz 、100 MHz 及 140 MHz 輻射,很可能是 20 MHz 時脈產生。同理,和時脈 18 MHz 相關輻射,率增加而減小,這表示 18 MHz 時脈工作線路,是造成 180 MHz 輻射發生源。表一所示,可以確定一點是 10 MHz 沒有問題,18 MHz 和 20 MHz 線路頻率 100 MHz 以下主要輻射干擾源,而 18 MHz 是超過頻率 100 MHz 以上主要輻射干擾源。(表一)

確定幹擾源源頭後,接著是如何去尋找及判定幹擾途徑。於產生幹擾線路和傳輸途徑往往一起,因此,信號特性並不能提供多有關系統產生雜訊幹擾資訊。@小標:雜訊幹擾源及其傳輸途徑基本模式

發揮區隔雜訊幹擾源及其傳輸途徑,我們簡介雜訊幹擾源及其傳輸途徑基本模式,以便地掌握判定及區隔技巧。(圖六)

區分傳輸途徑技術,有下列各種方式:

大部份超過頻率 5 MHz 傳導性幹擾,源自電容器和電感器交互耦合(Crosstalk)2 AC 電源線所致。圖七説其雜訊幹擾可能傳輸途徑,了説其間關係,玆其分類予以介紹:(圖七)

DC 電源線和信號線是主要邏輯幹擾源,可以和無論有濾波器或無濾波器 AC 電源線綑綁一起,應上述各類線材個別分開,看看是否會降低其輻射強度。另外,可以一顆μ值及感量環形磁蕊(Toroidal Core)纏繞(一圈)信號線上,抵消信號線上耦合雜訊。假若整個產品框體接地(Chassis)片;如時下 15″ 或 17″ 監視器設計,有其 AC 電源輸入端接地線上,纏繞(兩圈)一顆μ值及感量環形磁蕊,抑制其他接地線或信號迴路(Return)之共模式雜訊。模式雜訊另一種解決方法,是改變或增加各接地點。這樣可以破壞或縮小因接地點接地點間形成過環路(Loop),避免形成輻射基本條件。同時,將部份線材改成編織線,可以達到抑制輻射干擾目的。假若已知是異模式雜訊,論是電源線或是信號線,可個兩條線絞線方式處理,或是插入一顆橫跨兩線間旁路電容器(Bypass Capacitor),亦可達到抑制效果。

假若一條屏蔽或是無屏蔽輸入/輸出(I/O)線和鄰近電源線綑綁一起話,其邏輯雜訊耦合到 AC 電源線上。因此,輸入/輸出(I/O)線和電源線分開,看看是否可降低其輻射強度,是一種檢測幹擾雜訊方法。相反,假若電源線和輸入/輸出線原本己開,可以它們綑綁一起,看看測試結果是否變得,碓定它們分開距離是否。因此,外觀設計工程師於外觀設計時,考慮 AC 電源輸入端子(AC socket)和其他輸入端子保持一些距離。原則上避免界面端子和 AC 電源輸入端子緊鄰一起。

邏輯雜訊無屏蔽處理外殼中,直接耦合到 AC 電源線上