村田汽車(chē)和工業(yè)設備用PoC系統靜噪對策：難點(diǎn)及攻略全解析，別錯過(guò)

01. 什么是PoC?

PoC是Power over Coax的縮寫(xiě)，是一種通過(guò)在信號電纜上疊加電源實(shí)現無(wú)需另外準備電源專(zhuān)用電纜的傳輸方法。

傳統傳輸系統和PoC之間的區別

PoC用于汽車(chē)和工業(yè)設備。在汽車(chē)中被用于A(yíng)DAS和環(huán)視攝像頭，有助于簡(jiǎn)化布線(xiàn)設計和減輕線(xiàn)束的重量；

在工業(yè)設備中被用于外觀(guān)檢查攝像頭等，寬敞的生產(chǎn)線(xiàn)需要較長(cháng)的電纜，但是通過(guò)使用PoC可以減少電纜數量并簡(jiǎn)化布線(xiàn)。

PoC系統應用實(shí)例

02. PoC所需的電路

PoC多用于SerDes接口，其中串行器和解串器通過(guò)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(xiàn)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(shí)使高頻通過(guò)的電容器，以及阻斷高頻并同時(shí)使直流通過(guò)的線(xiàn)圈。

本文中將用于偏置T電路的電容器稱(chēng)為偏置T電容器。

PoC系統的典型電路構成

由于Bias-T電感器的作用是阻止交流電并通過(guò)直流電，因此該電感器必須具有高阻抗。如果阻抗過(guò)低，則交流信號成分會(huì )泄漏到電源線(xiàn)，并且沿同軸電纜傳輸的信號成分會(huì )衰減。

Bias-T電感器所需的特性：必須具有高阻抗

我們調查了Bias-T電感器對信號線(xiàn)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(guò)TDR法測量特性阻抗（下圖）。

測量信號線(xiàn)的特性阻抗，結果如下圖。傳輸線(xiàn)的特性阻抗會(huì )根據基板的布線(xiàn)設計和元件的位置而變動(dòng)。通過(guò)抑制這種變動(dòng)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(xiàn)的特性阻抗將下降。下圖(右)顯示了將Bias-T電感器替換為短路片的極端例子?？梢源_認特性阻抗從50歐姆迅速變化到0Ω。

測量信號線(xiàn)的特性阻抗

03. Bias-T電路對SI的影響

Bias-T電感器還需有較廣的頻率范圍。

理想的電感器阻抗會(huì )與頻率成比例增加，但實(shí)際的電感器卻并非如此。阻抗曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)形。

為了找出PoC用的Bias-T電感器需要在哪個(gè)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（下圖）。結果發(fā)現，SerDes的信號分布在較寬的頻率范圍內，Bias-T電感器需要在較寬的頻率范圍內具有高阻抗。

PoC系統(SerDes)信號頻率成分測量方法及結果

由于單個(gè)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(gè)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(kāi)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量。

用于驗證的Bias-T電路的特性

我們確認了多個(gè)電感器的組合和針對Bias-T開(kāi)發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異（下圖）。組合多個(gè)電感器時(shí)，阻抗曲線(xiàn)不穩定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時(shí)，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

測量SI

波形完整性的下降是由傳輸線(xiàn)的傳輸特性的劣化所導致的。查看偏置T信號傳輸端的穿透特性S21，可知使用LQW32F系列時(shí)的特性更佳。另外，反射特性S11也在使用LQW32FT系列時(shí)較為良好（下圖）。

信號線(xiàn)透射特性（S21）和反射特性（S11）

04. 電纜對SI的影響

為了確認車(chē)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(guò)車(chē)載同軸電纜并用示波器觀(guān)察波形，同時(shí)通過(guò)S21測試了電纜的透射損耗特性。測量系統如下圖。

測量系統

更改電纜長(cháng)度后發(fā)現，電纜越長(cháng)，高頻波形質(zhì)量下降越明顯（下圖）。這就說(shuō)明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時(shí)，必須通過(guò)包括電纜在內的測試系統確認S參數。

電纜的透射損耗特性（S21）

05. 電源噪聲對PoC系統的影響

直流-直流(DC-DC)轉換器通常被作為PoC電路的電源IC使用，但是由于直流-直流(DC-DC)轉換器在內部進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)，因此開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì )成為問(wèn)題。由直流-直流(DC-DC)轉換器引起的開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題會(huì )對PoC系統產(chǎn)生不良影響的事例已經(jīng)得到了確認。開(kāi)關(guān)噪聲可以在差模和共模兩種模式下通過(guò)同軸電纜進(jìn)行傳導。

圖片居中使用：

PoC信號在同軸電纜的中心導體和屏蔽層之間以差模方式傳導。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(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入同軸電纜并以差分模式傳導，則波形質(zhì)量可能會(huì )下降（下圖）。

開(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

我們確認了多個(gè)電感器的組合和針對Bias-T開(kāi)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(gè)電感器時(shí)，阻抗曲線(xiàn)不穩定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時(shí)，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

為了確認開(kāi)關(guān)控制的直流-直流(DC-DC)轉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)轉換器，并用示波器確認了其對波形的影響。

此時(shí)，信號發(fā)生源為3Gbps，并且使用了開(kāi)關(guān)頻率為200kHz的直流-直流(DC-DC)轉換器。測量系統配置如下圖。

測量開(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

下圖是用示波器觀(guān)察到的波形。Bias-T電感器：LQW32FT(10uH+47uH)。觀(guān)察到的波形為3Gbps的高頻和200 kHz的低頻疊加后的波形。3Gbps信號的基準電位以200kHz的周期進(jìn)行變動(dòng)。變動(dòng)幅度為約70mV。由于基準電位的變動(dòng)可能會(huì )對通信產(chǎn)生不良影響，因此我們討論了如何使基準電位穩定。

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

通過(guò)添加Bias-T電感器來(lái)降低開(kāi)關(guān)噪聲

更改電纜長(cháng)度后發(fā)現，電纜越長(cháng)，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說(shuō)明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時(shí)，必須通過(guò)包括電纜在內的測試系統確認S參數。

改善后的結果

接下來(lái)，我們考慮開(kāi)關(guān)噪聲在同軸電纜的中心導體與屏蔽層之間以共模方式傳導的情況。共模噪聲往往會(huì )增加輻射噪聲電平，因此開(kāi)關(guān)噪聲有可能會(huì )引起輻射噪聲問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

為了測試同軸電纜輻射的噪聲，我們按以下方法連接內置直流-直流(DC-DC)轉換器的基板和內置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(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響及測量方法

我們來(lái)看一下測量結果，分析開(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的具體影響。

首先，由于Bias-T電感器預期可以起到濾波器的作用，因此我們在未安裝電感器（無(wú)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果，但兩者之間幾乎沒(méi)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(lái)，為了抑制沿中心導體與屏蔽層傳導的共模噪聲而添加了共模扼流線(xiàn)圈（CMCC）后，發(fā)現能將噪聲電平抑制5到10dB。

開(kāi)關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

06. 輻射噪聲對策實(shí)例

接下來(lái)，我們嘗試使用帶有PoC系統的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(chē)載同軸電纜連接Tx側和Rx側的測試基板，并向Rx側供電，再測量測試基板工作時(shí)的輻射噪聲。

測試樣品(DUT)：SerDes測試基板

測量輻射噪聲時(shí)，在30MHz至2.5GHz的整個(gè)范圍內均確認到寬帶噪聲，并且存在超出標準值的頻帶(下圖)。

初始狀態(tài)

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(chǎng)分布測量。

在SerDes IC的信號線(xiàn)及IC電源線(xiàn)上觀(guān)測了寬帶噪聲頻譜。此外，在比較兩者的光譜形狀時(shí)，發(fā)現其值不同但形狀相似。

這表明信號線(xiàn)和電源線(xiàn)具有相同的噪聲源。

信號線(xiàn)顯示較高的電平，因此SerDes信號很可能是噪聲源。

近磁場(chǎng)分布測量結果

※由于此測試基板上的直流-直流(DC-DC)轉換器不是開(kāi)關(guān)控制類(lèi)型，因此不是由開(kāi)關(guān)噪聲引起的磁場(chǎng)分布。

推測的噪聲傳導路徑如下。

來(lái)自Serializer的噪聲傳導路徑（推測）

路徑①: 噪聲傳導至基板GND、電纜的屏蔽層和信號線(xiàn)。

路徑②: 路徑①的噪聲耦合到電源層，噪聲傳導至電源電纜。

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。（路徑①）

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

為了對路徑①實(shí)施對策，安裝了信號用CMCC——DLW21SH391XQ2。

為了對路徑②實(shí)施對策，安裝了電源用CMCC——PLT5BPH5013R1SN。

結果如下。在30MHz到1000MHz之間，與沒(méi)有濾波器的狀態(tài)相比，噪聲被抑制了10到20dB。

30～1000MHz

這里，村田推薦的共模扼流線(xiàn)圈是PLT5BPH5013R1SN和DLW21SH391XQ2。

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

對策①＋②

07. 結論

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

2. 通過(guò)使用具有寬帶特性的電感器（LQW32FT系列），SI得到了改善。

3. 由于電纜對SI的影響不容忽視，因此測試PoC系統的Bias-T電感器時(shí)，最好通過(guò)包括電纜在內的S參數特性來(lái)進(jìn)行測試。

4. 考慮并驗證了直流-直流（DC-DC）轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲對SI產(chǎn)生不良影響的可能性。結果，確認了通過(guò)PoC的Bias-T電感器可以減少開(kāi)關(guān)噪聲。

5. 確認了直流-直流（DC-DC）轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲和SerDes信號會(huì )成為噪聲源，并可能使輻射噪聲電平惡化。已經(jīng)發(fā)現，共模扼流線(xiàn)圈（DLW21S系列）對解決該問(wèn)題是有效的。

本案例中村田推薦的產(chǎn)品為：偏置T電感器LQW32FT系列，村田推薦的共模扼流線(xiàn)圈PLT5BPH5013R1SN以及DLW21SH391XQ2 / DLW21PH201XQ2。采用村田推薦產(chǎn)品后的優(yōu)化結果如下圖：

來(lái)源： Murata村田中國