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  • 滤波电连接器设计指南

  • 2020-01-09 11:37 1029

导语

复杂的电磁环境对电连接器的性能要求越来越高,除要求可靠的电连接外,还应满足整机小型化、多功能、耐环境、高密度及抗电磁干扰的要求,因此电连接的抗电磁干扰技术己成为人们研究的焦点。常用的电子器件抗电磁干扰的方法有两种:屏蔽和滤波。封闭金属壳体屏蔽既可防止内部电磁能向外辐射,又可避免外界的电磁干扰,但金属壳体屏蔽接地仅能抑制辐射干扰,要消除传导型电磁干扰,应选用具有屏蔽、接地和滤波等多功能的电连接器[1]


1、滤波电连接器的滤波形式


电容电感是最基本的滤波元件,他们的滤波原理是利用电容的容抗或电感的感抗随频率而改变的特性,对不同频率的输入信号产生不同的响应,让需要的频带信号顺利通过,抑制不需要的其他频带的干扰信号。一般来说,滤波电连接器都采用低通滤波器,利用电容的容抗随频率升高而降低的特性对高频干扰信号旁路。低通滤波器是信号、电源线滤波电路中常用的滤波元件之一,其滤除高频干扰信号的效果非常好。滤波器连接到金属面板上,金属面板既作滤波接地,又起到隔离滤波输入和输出端耦合的作用[2]


滤波电连接器可分为C型、π型及LC型三种滤波形式,如图1所示。C型、π型滤波形式最为常见,π型的滤波性能优于C型,它的插入损耗曲线更陡些,即在给定的频率和相等的电容下,π型滤波衰减大于C[3]。π型滤波器以铁氧体为电感,频率越高,损耗越大,能有效防止谐振。


  

2、滤波元件参数的选择


滤波电连接器是在普通电连接器内部加装滤波电路,因此在选择滤波电连接器时,除了考虑普通电连接器选用因素外,还应注意工作电压、工作电流、工作温度、电容量、截止频率及各频段衰减等参数。


滤波器的截止频率是一个重要的参数,滤波电连接器的截止频率定义为插入损耗为3 dB时的频率,截止频率的选取必须保证信号的正常传输,同时最大限度地滤除不必要的高频干扰。对于模拟信号,截止频率只要大于信号最大工作频率即可,常见的是截止频率为10倍信号频率,例如,一个5 MHz的有噪音数据线路,滤波器的截止频率接近于50 MHz,才能使噪音衰减的同时不对信号造成影响[4]。对于脉冲信号,可以将滤波器的截止频率选在1/(πtr)处,tr为脉冲的上升或下降沿时间,也可以将脉冲信号重复频率的15次谐波作为滤波器的截止频率[5]


截止频率及衰减性能在很大程度上取决于电容值,根据滤波器截止频率的计算公式:

fc= 1/(2πRC )                                           (1)

可计算出电容值,式中fc为截止频率,R为特性阻抗, C为电容。


3、滤波电连接器的滤波结构


滤波电连接器主要有管式滤波电连接器、平面式滤波电连接器、贴片式电容滤波电连接器三种滤波结构,其中管式滤波电连接器电气性能最优,但其价格比较昂贵;当接触件密度比较高时,平面式滤波电连接器在设计和安装方面更具优越性,且机械强度较其它结构的高。


3.1管式滤波电连接器


普通的管式π型滤波电连接器的滤波元件是由一根铁氧体套管电感和一根柱形瓷管电容组成,它们依次套在接触件上。


2为管式π型滤波接触件组件的结构示意图,在瓷管电容的内外壁进行了选择性的涂覆构成电极,形成两个电容,瓷管电容的内电极与接触件焊接在一起,接地极通过如图3所示的接地板与电连接器外壳相连。铁氧体管一般采用初始磁导率较高的锰锌铁氧体或镍锌铁氧体,起单匝感应线圈的作用。这种低通π型滤波器由输入电容、输出电容和电感组成,从理论上说,每一滤波元件在截止频率以上的衰减增加为6 dB/倍频程,因此,整个滤波器在截止频率以上的衰减增加为18 dB/倍频程。


  


图4为管式π型滤波接触件组件组成的滤波电连接器的结构示意图。接地板是一块镀有贵金属的铜合金,其上开了一系列通孔,通孔的排列与绝缘安装板的孔位排列相同,滤波接触件组件穿过这些通孔。所有接触件上的瓷管电容的接地极与连接到连接器外壳的该接地板连接。


为了有效地滤除干扰信号,尽可能地使接地板与连接器外壳间的接触面积最大,使接地板与外壳之间的接触压力尽可能地大,同时避免接地板与连接器外壳之间的接触压力对滤波接触件的影响,在接地板与连接器外壳之间采用柔性接地,即在固定滤波器的接地板外圆柱面上采用弹性屏蔽环,当该组件装入壳体时,能够使接地板与电连接器外壳360°可靠地电连接,且最大限度地避免了机械应力对滤波器件的影响,同时在接地板与连接器外壳相连接的端面注入导电性能比较好的环氧导电胶,防止环氧树脂渗入屏蔽环间隙,从而保证了滤波连接器优良的屏蔽性能和接地可靠性。


此外,为提高机械强度,保护滤波接触件,一般将滤波接触件安装在插座内。 


  


陶瓷电容的电极一般采用银浆涂覆,经高温焙烧而成,如果采用酒精为溶剂的环氧树脂封装,由于封装的多孔性而易受潮,为银离子的迁移提供了条件,造成产品短时间内大量失效。


为了提高陶瓷电容的防潮性能,焊接后的插座组件经过清洗、高温烘烤后先在陶瓷电容的表面上涂一层薄薄的硅胶,将陶瓷电容完全覆盖,再用环氧树脂封装,这样既提高了陶瓷电容的防潮性能,又减少了环氧树脂的收缩应力。滤波电连接器按GJB 1032-1990加电应力筛选,试验结果表明,这种封装工艺有很好的防潮性能,产品的可靠性有明显的提高。


这种管式滤波电连接器具有如下特点:

a.瓷管电容在电流垂直方向360°接地,对高频有很好的旁路作用;

b.设计、装配、焊接方便;

c.接地板使滤波器的输入和输出之间得到了有效的隔离,避免了高频在输入和输出之间的耦合。


3.2平面式滤波电连接器


平面式滤波电连接器的电容是一种多孔电容,孔的排列与接触件的排列相同,如图5所示,它是由若干陶瓷片层叠组成的陶瓷盘,在陶瓷片的预定位置有导电涂层。在层叠工序完成后,电容被分割成所要求的尺寸,并在孔位处钻孔,在1300 ℃的温度下烘烤、焙烧后,将银化物涂于孔内及外圆接地带上进行银化,然后再一次焙烧、烘烤,形成独特的陶瓷片平面电容器阵列。


  

图6为平面式滤波电连接器的结构示意图,接触件穿过两个相同陶瓷盘上的通孔,在两个陶瓷盘之间的每根接触件上均套有一根铁氧体管,每个电容的接地极通过陶瓷盘边缘的接地极与环形接地板连接,形成了双平面电容π型滤波电连接器的电气连接。每个陶瓷盘的电容值为所需电容的一半(参见公式1)。


为使滤波电连接器接地可靠,最大限度地避免机械应力对滤波器件的影响,同样也可以采用弹性屏蔽环的柔性接地方式。


  


平面式滤波电连接器具有如下特点:

a.平面电容器采用多层分流的方式和连接器外壳连接,因此具有非常低的阻抗,对高频有很好的旁路作用;

b.设计、装配、焊接方便;

c.同一电连接器内不同接触件的电容一致性比较好;

d.抗拉、抗压机械强度较高,振动冲击指标可以达到普通电连接器的水平。


3.3贴片电容式滤波电连接器


贴片电容式滤波电连接器采用的是贴片多层陶瓷电容,即一种多层片状结构的电容,具有金属化的端面,便于直接装配在印制板电路中,通过如图7所示的印制板将电容的两极分别与接触件和连接器外壳连接,印制板的接地焊盘和连接器外壳通过焊接相连,或通过镀银卡簧和导电胶与壳体固定并粘接而相连。图8为典型的贴片电容滤波电连接器结构示意图,接触件穿过两片印制板组件,在两片印制板组件之间的接触件上套有一根铁氧体管,形成贴片式π型滤波电连接器。



  

  


贴片电容式滤波电连接器具有如下特点:


a.结构简单、耐冲击振动、价格低;

b.由于贴片电容直接安装在印制板上,通过印制板上的引线和连接器外壳相连,电容的引线电感造成电容谐振,对高频信号呈现较大的阻抗,消除了高频信号的旁路作用,所以贴片电容式滤波电连接器在高频时滤波效果比较差。


4、结束语


论述了三种滤波电连接器的结构设计,通过结构介绍可以看出,滤波电连接器的结构设计的要点是尽量降低滤波器的接地电阻、避免接触应力对陶瓷电容器的影响、为使滤波电连接器的结构达到或超过电连接器规定的随机振动水平,并通过超过10g的机械冲击试验,滤波电连接器采用先在陶瓷电容表面涂一层薄薄的硅胶,然后用环氧树脂灌封。



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[参考文献]


[1] 肖颖,王小波 .QMZ型滤波电连接器的滤波结构设计[J]. 机电元件, 2007(3):7~10

[2] 蒋新悦.滤波技术在电连接器中的应用[J].机电元件, 2006(12):15~17

[3] 李华.国外滤波连接器发展概况[J].机电元件, 1997(12):92~102

[4] 张树松. 军用滤波连接器[J].机电元件,1994(9):43~45

[5] 白同云.用滤波器连接器消除电缆穿越屏蔽壳体时的辐射[J].电子质量 ,2006(7):75~78


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