淺談PoC系統(tǒng)所需的電感器和靜噪對策解決方案

1什么是PoC（Power over Coax）？

PoC是Power over Coax的縮寫，是一種通過在信號電纜上疊加電源實現(xiàn)無需另外準(zhǔn)備電源專用電纜的傳輸方法。PoC用于汽車和工業(yè)設(shè)備，在汽車中被用于ADAS和環(huán)視攝像頭，有助于簡化布線設(shè)計和減輕線束的重量。在工業(yè)設(shè)備中被用于外觀檢查攝像頭等。寬敞的生產(chǎn)線需要較長的電纜，但是通過使用PoC可以減少電纜數(shù)量并簡化布線。

傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)和PoC之間的區(qū)別

PoC系統(tǒng)應(yīng)用實例

2PoC所需的電路

PoC多用于SerDes接口，其中串行器和解串器通過同軸電纜連接。在該同軸電纜上，高頻信號和直流電流疊加在一起。在這種情況下，將配置偏置T電路，以防止高頻信號串入電源線中，或者直流電流流入解串器中。偏置T電路中使用了阻斷直流并同時使高頻通過的電容器，以及阻斷高頻并同時使直流通過的線圈。本文中將用于偏置T電路的電容器稱為偏置T電容器。

Bias-T電感器所需的特性

由于Bias-T電感器的作用是阻止交流電并通過直流電，因此該電感器必須具有高阻抗。如果阻抗過低，則交流信號成分會泄漏到電源線，并且沿同軸電纜傳輸?shù)男盘柍煞謺p。

關(guān)于Bias-T電感器所需要的特性
測量信號線的特性阻抗

我們調(diào)查了Bias-T電感器對信號線特性阻抗的影響。

將網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到配備了SerDes IC或Bias-T電路的基板上，并通過TDR法測量了特性阻抗。

測量信號線的特性阻抗

傳輸線的特性阻抗會根據(jù)基板的布線設(shè)計和元件的位置而變動。通過抑制這種變動并使之保持平滑，傳輸特性將得到改善。為了保持平滑，Bias-T電感器的阻抗必須足夠高。因為如果Bias-T電感器的阻抗較低，則傳輸線的特性阻抗將下降。右圖顯示了將Bias-T電感器替換為短路片的極端例子?？梢源_認(rèn)特性阻抗從50歐姆迅速變化到0Ω。

3Bias-T電路對SI的影響

Bias-T電感器所需的特性-較廣的頻率范圍

理想的電感器阻抗會與頻率成比例增加，但實際的電感器卻并非如此。阻抗曲線呈拋物線形。

為了找出PoC用的Bias-T電感器需要在哪個頻率下具有較高的阻抗，我們在頻率軸上測量了SerDes的信號成分。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SerDes的信號分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，Bias-T電感器需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有高阻抗。

PoC系統(tǒng)（SerDes）的信號頻率成分測量方法

用于驗證的Bias-T電路的特性

由于單個普通電感器不能覆蓋較寬的頻率范圍，因此需要將具有不同自諧振頻率的多個電感器進(jìn)行組合以覆蓋較寬的頻率范圍。另一方面，為Bias-T開發(fā)的電感器LQW32FT系列單體可覆蓋較寬的頻率范圍，因此可以減少電感器元件的數(shù)量。

測量SI

我們確認(rèn)了多個電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異。

組合多個電感器時，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

信號線透射特性（S21）和反射特性（S11）

波形完整性的下降是由傳輸線的傳輸特性的劣化所導(dǎo)致的。

查看偏置T信號傳輸端的穿透特性S21，可知使用LQW32F系列時的特性更佳。
另外，反射特性S11也在使用LQW32FT系列時較為良好。

4電纜對SI的影響

測量系統(tǒng)

為了確認(rèn)車載同軸電纜的特性對波形的影響，我們讓信號發(fā)生器的信號流過車載同軸電纜并用示波器觀察波形，同時通過S21測試了電纜的透射損耗特性。

電纜的透射損耗特性（S21）

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認(rèn)S參數(shù)。

5電源噪聲對PoC系統(tǒng)的影響

直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器通常被作為PoC電路的電源IC使用，但是由于直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部進(jìn)行高速開關(guān)，因此開關(guān)噪聲可能會成為問題。由直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器引起的開關(guān)噪聲問題會對PoC系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響的事例已經(jīng)得到了確認(rèn)。開關(guān)噪聲可以在差模和共模兩種模式下通過同軸電纜進(jìn)行傳導(dǎo)。

差模噪聲引起的問題
開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

PoC信號在同軸電纜的中心導(dǎo)體和屏蔽層之間以差模方式傳導(dǎo)。在不受外部噪聲影響的情況下，可以保持良好的波形質(zhì)量。但是，如果開關(guān)噪聲進(jìn)入同軸電纜并以差分模式傳導(dǎo)，則波形質(zhì)量可能會下降。

我們確認(rèn)了多個電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異。

組合多個電感器時，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

測量開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

為了確認(rèn)開關(guān)控制的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器噪聲造成的影響，我們將Bias-T電感器和同軸電纜連接到直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，并用示波器確認(rèn)了其對波形的影響。

此時，信號發(fā)生源為3Gbps，并且使用了開關(guān)頻率為200kHz的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器。

以下是用示波器觀察到的波形。觀察到的波形為3Gbps的高頻和200 kHz的低頻疊加后的波形。3Gbps信號的基準(zhǔn)電位以200kHz的周期進(jìn)行變動。變動幅度為約70mV。由于基準(zhǔn)電位的變動可能會對通信產(chǎn)生不良影響，因此我們討論了如何使基準(zhǔn)電位穩(wěn)定。

討論通過添加Bias-T電感器來降低開關(guān)噪聲

為了抑制200kHz噪聲，我們在直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器和信號線之間安裝Bias-T電感器的地方添加了100uH電感器LQH3NPH101MME。通過對Bias-T電感器以串聯(lián)方式添加100uH的電感器，可以增加200kHz左右的低頻區(qū)域的阻抗。

改善后的結(jié)果

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認(rèn)S參數(shù)。

共模噪聲引起的問題

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

接下來，考慮開關(guān)噪聲在同軸電纜的中心導(dǎo)體與屏蔽層之間以共模方式傳導(dǎo)的情況。

共模噪聲往往會增加輻射噪聲電平，因此開關(guān)噪聲有可能會引起輻射噪聲問題。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響及測量方法

為了測試同軸電纜輻射的噪聲，我們按以下方法連接內(nèi)置直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器的基板和內(nèi)置Bias-T電路的基板，并用同軸電纜將配備Bias-T電路的基板彼此連接，然后用電流探頭測量從同軸電纜輻射的噪聲。由于要用電流探頭夾住同軸電纜，因此檢測到的是共模噪聲。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

首先，由于Bias-T電感器預(yù)期可以起到濾波器的作用，因此我們在未安裝電感器（無濾波器）和已安裝電感器（僅電感器）的條件下比較了噪聲測量結(jié)果，但兩者之間幾乎沒有變化。這可能是因為Bias-T電感器僅對差模噪聲有效。

接下來，為了抑制沿中心導(dǎo)體與屏蔽層傳導(dǎo)的共模噪聲而添加了共模扼流線圈（CMCC*）后，發(fā)現(xiàn)能將噪聲電平抑制5到10dB。

6輻射噪聲對策實例

接下來，我們嘗試使用帶有PoC系統(tǒng)的SerDes測試基板測量輻射噪聲，并采取了靜噪對策。用1.5米的車載同軸電纜連接Tx側(cè)和Rx側(cè)的測試基板，并向Rx側(cè)供電，再測量測試基板工作時的輻射噪聲。

初始狀態(tài)

測量輻射噪聲時，在30MHz至2.5GHz的整個范圍內(nèi)均確認(rèn)到寬帶噪聲，并且存在超出標(biāo)準(zhǔn)值的頻帶。

近磁場分布測量結(jié)果

為了確定基板上的噪聲源，我們在基板表面進(jìn)行了近磁場分布測量。
在SerDes IC的信號線及IC電源線上觀測了寬帶噪聲頻譜。此外，在比較兩者的光譜形狀時，發(fā)現(xiàn)其值不同但形狀相似。
這表明信號線和電源線具有相同的噪聲源。
信號線顯示較高的電平，因此SerDes信號很可能是噪聲源。

※由于此測試基板上的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器不是開關(guān)控制類型，因此不是由開關(guān)噪聲引起的磁場分布。

來自Serializer的噪聲傳導(dǎo)路徑（推測）

推測的噪聲傳導(dǎo)路徑如下。

路徑①：噪聲傳導(dǎo)至基板GND、電纜的屏蔽層和信號線。

路徑②：路徑①的噪聲耦合到電源層，噪聲傳導(dǎo)至電源電纜。

從Serializer IC發(fā)送的信號的噪聲成分耦合到基板上的GND層，并以共模方式沿同軸電纜傳導(dǎo)。（路徑①）

噪聲成分傳導(dǎo)至配備了Deserializer IC的基板上，并且通過在基板內(nèi)耦合至電源層，從而沿電源電纜以共模方式傳導(dǎo)。（路徑②）

為了對路徑①實施對策，安裝了信號用CMCC——DLW21SH391XQ2。
為了對路徑②實施對策，安裝了電源用CMCC——PLT5BPH5013R1SN。

結(jié)果，在30MHz到1000MHz之間，與沒有濾波器的狀態(tài)相比，噪聲被抑制了10到20dB。

村田推薦的共模扼流線圈

對策①＋②

通過同時采用這2種對策，在30MHz到2.5GHz的所有頻率中，最大抑制約25dB的噪聲。

7總結(jié)

對于PoC系統(tǒng)，驗證了Bias-T電感器對SI的改善以及CMCC對噪聲的抑制效果。

通過使用具有寬帶特性的電感器（LQW32FT系列），SI得到了改善。

由于電纜對SI的影響不容忽視，因此測試PoC系統(tǒng)的Bias-T電感器時，最好通過包括電纜在內(nèi)的S參數(shù)特性來進(jìn)行測試。

考慮并驗證了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲對SI產(chǎn)生不良影響的可能性。結(jié)果，確認(rèn)了通過PoC的Bias-T電感器可以減少開關(guān)噪聲。

確認(rèn)了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲和SerDes信號會成為噪聲源，并可能使輻射噪聲電平惡化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，共模扼流線圈（DLW21S系列）對解決該問題是有效的。

編輯：jq