Меры для поддержания EMC в схемах LVDS

Низковольтная передача дифференциальных сигналов (LVDS) является самым распространенным дифференциальным интерфейсом и применяется во многих устройствах, требующих высокоскоростную передачу данных благодаря универсальности характеристик. Как известно, USB 2.0 и DVI, HDMI, а также DisplayPort являются внешними интерфейсами, предназначенными для подключения оборудования различного типа, в то время как LVDS используется как внутренний интерфейс во многих устройствах при подключении базовых платформ, что находит применение в оборудовании различного функционального назначения.

С интерфейсом LVDS оконченный нагрузочный резистор между дифференциальными линиями имеет сопротивление 100 Ом и обеспечивает согласование импеданса для дифференциального сигнала. Однако синфазные составляющие практически открыты и отражаются от конца линии. Отраженные сигналы распространяются по кабелю, соединяющего платы, что может вызвать нежелательные излучение.

Основные средства борьбы с помехами включают удаление синфазных составляющих сигнала, что крайне важно для LVDS, поскольку такие сигналы оказывают значительное влияние на работу интерфейса. В этой связи, для улучшения передачи сигнала важным является местоположение и причины появления таких составляющих. Потенциальным местом появления синфазных составляющих являются основная плата и кабели, в которых поддерживается физический уровень (рисунок 1).

рисунок1 — Рисунок 1 –Факторы, которые вносят вклад в появление излучения, вызванного синфазным шумом.

Ниже рассмотрены факторы,влияющие на появление синфазных составляющих:
1) Основная плата

1) S+ / S– фазовый сдвиг на выходе драйвера LVDS
2) Материал платы (диэлектрическая проницаемость материала)
3) Асимметрия провода

2) Кабель

Технические требования для кабеля не установлены в случае использования LDVS так же как и в случае HDMI, DVI. Таким образом, используются разные типы кабелей, например: плоский кабель (FPC), двухжильный, витая пара. Качество сигнала различается в зависимости от используемого типа кабеля, поскольку меняются характеристики передачи данных. Однако, считается, что факторы, вызывающие излучение шума, одинаковые. Способ обработки соединений между жгутом и штекерным соединением /GND (земля) также влияют на распространение шума. Таким образом, этот фактор по сути является важным для принятия мер по устранению шума. Но в то же время вклад его может варьироваться в зависимости от типа кабеля и изготовителя, поэтому он не рассматривается как основной.

Следующие факторы связаны с излучением шумов от кабеля:

4) Несоответствие между дифференциальной парой + и - линиями, слабая электромагнитная пара + и - линии могут способствовать преобразованию дифференциального сигнала в синфазный.
5) Шум от заземления (GND) на базовой плате распространяется через герметичное покрытие кабеля, а кабель действует как антенна, становясь источником шума. Если кабель является основной причиной излучения помех, эффективность мер (реализованных на основной плате) по их устранению ограничена, поэтому важно тщательно выбирать кабель.

Эффективное применение синфазных фильтров

Синфазные фильтры - компоненты, используемые для решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости, которые также эффективны для подавления синфазных помех на основной плате, вызванных рассмотренными выше причинами 1, 2 и 3 (рисунок 2 обобщает основные характеристики синфазных фильтров, которые требуется учитывать при их выборе.).

рисунок 2 — Рисунок 2 –Основные пункты, учитываемые при выборе синфазных фильтров.

Компания TDK выпускает широкую линейку синфазных фильтров, которые подходят для различных целей. Необходимо тщательно выбирать изделия, чтобы улучшить параметры EMC высокоскоростных дифференциальных интерфейсов. Синфазные фильтры должны обладать следующими двумя свойствами:

1. Они не должны ослаблять дифференциальные сигналы.
2. Должны обладать высоким значением коэффициента подавления синфазного сигнала.

Первая характеристика обозначает, что фильтр не воздействует на сигнал. Таким образом, качество сигнала может быть гарантировано, даже если потери пропорционально больше по отношению к длине и типу кабеля для размера панели. Что касается второй характеристики, то высокий коэффициент подавления сигнала требуется для снижения вклада шума на частоте более 10 МГЦ, что принимается для низкого разрешения, поскольку тактовый сигнал LVDS меняется в соответствии с разрешением. Параметры синфазного фильтра, связанные с рассмотренными выше характеристиками, соответствуют:
1 → Дифференциальная характеристика импеданса (LVDS импеданс соответствует 100 Ом)

2 → Синфазный импеданс

Данные по синфазному импедансу представлены в каталогах TDK (рисунок 3).

Дифференциальная характеристика импеданса в каталогах TDK не приводится.

На рисунке 4 представлена линейка синфазных фильтров TDK, предназначенных для работы с интерфейсом LVDS. Фильтры с размером 2012 совместимы с импедансом 1000 Ом при 100 МГц. Максимальное значение импеданса для типоразмера 2012 соответствует 400 Ом. Серия TCM-L, представленная на рисунке 4, разработана специально для применения в LVDS.

рисунок4 — Рисунок 4 – Линейка синфазных фильтров TDK ( в соответствии с типоразмером).
Чем выше синфазный импеданс, там эффективнее работает фильтр (устраняется синфазная составляющая). Рекомендуется использовать фильтр с самым большим значением импеданса для каждого типоразмера. Серия L специально разработана для применения в LVDS. Применение компонентов эффективно в длинных кабелях.

В дополнение к электрическим характеристикам, рассмотренным выше, особое внимание следует уделять размеру компонента. LVDS состоит из 5...11 дифференциальных линий, включая линии передачи тактовых сигналов, что требует большее количество фильтров. В этой связи, компоненты должны быть небольшого размера. Линейка TDK включает отдельные фильтры с самым маленьким размером из существующих аналогичных изделий (типоразмер 0605), а также компоненты в исполнении " в сборке" с типоразмером 1608, что позволяет соответствовать различным потребностям заказчиков. На рисунке 5 приведены результаты оценки формы сигнала для компьютера. Тактовая частота была 65 МГц и скорость передачи данных составляла 455 Мбит/c. Отмечено, что применение сигнального фильтра на качество сигнала влияния не оказывало.

рисунок 5 — Рисунок 5 –Результаты оценки формы сигнала для компьютера.

На рисунке 6 показаны результаты измерения излучения шума на примере компьютера. Было показано, что фильтр эффективен на пиковой частоте шума при 455 МГц.

рисунок 6 — Рисунок 6 –Пример эффективности использования синфазных фильтров для подавления шумов (применение фильтров с синфазным импедансом 200 Ом). Результаты по оценке излучения шумов (с использованием синфазного фильтра) были получены для LVDS кабеля компактного переносного компьютера (лэптоп) между основной платой и дисплеем. Показано, что при использовании фильтра (синфазный импеданс 200 Ом) было достигнуто уменьшение шума до 12 дБ (455 МГц).

Синфазные фильтры для LVDS. Особенности и эффективность применения серии TCM-L

Как уже было отмечено выше синфазные фильтры эффективны для подавления шумов в LVDS, но в последние годы размер панелей стал больше, увеличилась длина кабеля LVDS, что поспособствовало возникновению новых проблем. Таким образом, при увеличении длины кабеля:

1. Несогласованный импеданс приводит к ухудшению качества осциллограммы.
2. Уровень излучения становится выше..

В таких случаях синфазные фильтры, рассмотренные выше, могут иметь ограниченную эффективность работы. Для решения поставленной задачи была специально разработана серия TCM-L. такие компоненты способны устранять отраженные составляющие сигнала для улучшения его формы. Кроме того, изделия серии TCM-L уменьшают уровень излучения шума (синфазные составляющие устраняются). На рисунке 7 представлены результаты измерения сигнала для LVDS с использование фильтров TCM-L. Без использования фильтра на индикаторной диаграмме присутствуют наложенные высокочастотные составляющие на кривой сигнала из-за эффекта отражения. В данном случае качество сигнала не изменилось даже тогда, когда применялся фильтр TCM2010-201-4P. Однако, при использовании TCM2010L-201-4P отраженные высокочастотные составляющие волны могут быть устранены. В результате качество сигнала улучшилось.

На рисунке 8 представлены результаты измерения излучения шумов. Тактовая частота была установлена на уровне 135 МГц для того, чтобы создать жесткие условия эксплуатации. В качестве кабеля был выбран двухпроводной тип, поскольку именно такой тип кабеля наиболее часто используется для LVDS. В случае, когда фильтр не использовали рисунок (8 а), в гармониках сигнала LVDS проявлялся интенсивный пик.

При использовании фильтра TCM2010-201-4P (рисунок 8b), пики все еще фиксировались на частоте 500 МГц и выше. Применение фильтра TCM2010L-201- 4P позволило снизить шум в области частот 500-10000 МГц (Рисунок 8c).

Эти серии компонентов TDK представляют интерес для применения на частотах, где обычные синфазные фильтры не эффективны, что показывает актуальность их применения для устранения шумов, связанных с кабелем.

Фильтры с застежкой на кабель TDK

На рисунке 9 представлены защелкивающиеся фильтры, предназначенные для плоского кабеля.

рисунок 9 — Рисунок 9 – Фильтры TDK малой толщины с защелкой на плоский кабель
Фильтры обладают такой же толщиной как и ферритового сердечника, подходят для устройств, где ограничено пространство (LCD-TV, PDP-TV, DSC, DVC).

Заключение

В данной статье рассмотрены особенности и эффективность синфазных фильтров для LVDS. Можно отметить, что применение таких фильтров эффективно для снижения вклада синфазного шума, формирующегося основной платой. Серия TCM-L может быть использована для решения проблем с излучением помех в кабеле. Таким образом, такие компоненты могут найти применение в качестве мер по поддержанию EMC. В будущем, разрешение дисплеев будет и дальше увеличиваться. Ожидается, что новые интерфейсы (DisplayPort and V-by-One) заменят существующие. Тем не менее, благодаря тому, что LVDS считается технологией с низкой себестоимостью, его использование между основными платами и дальше будет играть важную роль. Таким образом, использование мер по устранению помех будет также актуально. Также предполагается, что потребность в компонентах, представленных в этом обзоре, увеличится с введением беспроводных устройств в TV системы.