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1、 控制系统中总线板的设计原则 李凯 摘要: 总线板是多电平单元串联电压源型变频器的控制单元内的高速数据传输背板，CPU单板、IT单板、PWM生成单板、电源单板都连接在总线板上，总线板是各单板间的数字信号，电源供应的共用通道。当高频数字信号在总线板上传输时，极易出现反射与振铃现象.。在实际应用中，总线板曾经多次不定时出现超出安全阈值的干扰，产生了不可预见的逻辑错误。对总线板应用阻抗匹配的方法进行抑制反射与振铃现象的产生。首先对总线板的高速数字信号的传输线效应进行分析,找出反射和振铃现象的敏感因素,计算出进行抑制所需的参数,然后对总线板进行相应的阻抗匹配参数改进。经过对总线板阻抗匹配的改进，总线上
2、的噪声大大降低，控制系统长时间运行测试中工作状态平稳，提高了多电平单元串联电压源型变频器运行的安全性与稳定性。关键词: 总线板 传输线效应 阻抗匹配The frequency conversion equipment of voltage source of cell mid series of multi-level voltage The resistance matching for the command unit of bus board LiKai BaiDeFang LiuShuang ShuenXingTaoAbstract the bus board is high spee
3、d data transmission backboard in command unit for the frequency conversion equipment of voltage source of cell mid series of multi-level voltage, veneer for CPU , veneer for IT , veneer for PWM create veneer for power source all link on bus board, the bus board is mutual channels for digital signals
4、. In time high digital signal transmission on bus board, reverberation and oscillation of phenomena is very facility appear. When time practice use, the bus board ever time after time appear the over safety threshold interference, engender unpredictable logic error.The use resistance matching not be
5、ing suppression reverberation and oscillation phenomena to bus board. First it is make time analyzed transmission line domino effect for high digital signal on bus board, locate impressible factor of reverberation and oscillation phenomena, reckon parameter for make time restrain request, engender b
6、eing improve on relevant resistance matching parameter for bus board. As it improve resistance matching to bus board, very more fall noise on bus board, command system sun testing work state is tranquilization by long time, pull up security and stability for the frequency conversion equipment of vol
7、tage source of cell mid series of multi-level voltage sun.key word bus board analyzed transmission line domino resistance matching 1、引言：多电平单元串联电压源型变频的控制单元的总线板是各功能单板的安装和运行的共用电源与数据平台，是高压变频器控制系统的神经中枢，总线板可靠而稳定地进行数据传输，是变频器进行正常的数据运行和逻辑控制的关键。在高速数字回路中，其进行信号传递的总线板一般称为高速背板。高速背板不同于一般电路板的是,这些背板具有大尺寸、高速率、高密度、重负载
8、、信号线拓扑结构复杂、连接器密集、加工工艺难度大等特点。因此，高速系统背板的设计必须面对互连延迟引起的时序问题、信号串扰、传输线效应、噪声等信号完整性设计问题及电源分 配设计、EMC/EMI控制等技术问题。 要使总线板上的信号传递质量达到要求，最直接的办法就是进行阻抗匹配。通过数字信号在长线上传输的时延大小与转输线的特征阻抗，计算出匹配值，来有效的抑制由于线路反射或振铃而导致出现影响逻辑设的寄生逻辑状态。2、传输线理论与相关电磁兼容知识： （1）、传输线的概念与长线和短线的区分：传输线定义：传输线是一种能在两点之间高效率地传输与信号的器材。当电路中导线的长度可以与传输信号的波长相比拟，甚至超过
9、波长的很多倍，将这段导线即称为传输线。简单地说传输线即是具有分布参数的传输信号的长线。在总线板上，当一条长迹线会产生较大的反射，则这条迹线可以被认为是传输线。负载的传输线延时右以作为确定一条迹线是否为传输线的一种方法。一条迹线到底是信号线还是传输线，比较宽松的规定认为如果一条迹线的传输信号时间小于4倍的延迟时间的时候，一条迹线就可以看作一条传输线。 长线与短线的区分：长线和短线的概念是相对于信号本身所对应的，当信号沿线传播的延迟时间比信号变化的时间（如信号上升时间或下降时间）短得多时，信号在线上的任何反射仅反映在信号的边沿上，这样的线就称为短线。当信号沿线传播的延迟时间与信号变化可以相比拟时，
10、由于导线不均匀或负载不匹配而产生的信号反射将在线上出现“振铃”，这种较长的传输线就叫做长线。所以长线与短线的概念是相对的。（2）传输线特征阻抗计算： 分布参数电路：必须考虑参数分布性的电路称为分布参数电路，即任何导线的电阻是沿导线全长分布的；任何线圈的电感是分布在它的每一线匝上；任何导线之间不仅有分布电容，且由于绝缘不良还有漏电导的电路。当信号频率或脉冲重复频率很高时，虽然电路尺寸不大，然而电路尺寸与信号波长相比拟，就必须作分布参数电路来考虑。判别电路是否为分布参数电路，取决于电路本身的最大线尺寸和电路内电流或电压波长间的关系。当时，电路可视为集总参数电路；否则，需看作分布参数电路。 均匀传输
11、线方程：对于分布参数电路，线上任一无限小线元z上都分布有电阻Rz，电感Lz及线间分布电导Gz和电容Cz。对于距传输线始端z处线元z的等效电路如图： 图1 传输线上线元Z的等效电路应用基尔霍夫(Kirchhoff)定律可导出均匀传输线方程:式中: Z = R + jL Y = G + jC对于无耗传输线,忽略R和G的影响,则得:该式为均匀无耗传输线方程。 传输线特征阻抗计算：无耗传输线上的特征阻抗是：若已知在始端z=0处的电压电流，U(0) = U0，I(0) = I0，则线上一点的电压和电流用三角函数表示为：得出任一点的等效阻抗为： 传输线始端输入阻抗是： （3）传输线的反射和“振铃”信号在传
12、输线的反射：在传输线传输功率和信号时，若传输线的负载阻抗与传输线特性阻抗不相等，那么传输线终端的不连续性会引起电压和电流的反射。这时入射波（从源端传出）和反射波（从负载传出）在线上将同时存在。两者在传输线上按时空代数合成，形成有别于行波的另一种波“驻波”。“驻波”的定义：在长线上波长为的信号进行传输，在传输线终端反射后，当在传输线的上位置入射波和反射波相位相同，相加电压幅度最大。经过/4的距离，入射波超前/2，反射波滞后/2，两者相位相反，合成幅度最小。再经过/4的距离，入射波和反射波相位又相同。电压幅度呈现驻留、波浪式分布，这就是驻波。电压驻波的波腹与波节之间在空间相距/4，即电流驻波的波腹
13、与电压驻波的波节重合。电流驻波瞬时值的进间相位也与电压驻波瞬时值相差/2，表示传输线上的驻波能量实际以电场贮能与磁场贮能的形式在线上反复振荡。 “振铃”现象：系统中信号源与负载之间存在不匹配现象时，反射波按正负反射系数在线上来回以驻波的形式传输，称之为“振铃”现象。没有正向和负向尖峰以及反射现象出现，这是理论上信号传输的最佳情况。实际上，完全没有反射影响的信号只存在于理想设计环境中。因为不可能有理想的元器件存在，实际上元器件总会有产生振铃。当振铃现象中的负向尖峰达到一定程度，可以使负载以为现在为逻辑“0”状态而产生错误的触发。采用终端匹配技术，匹配电阻能够吸收那些不希望出现的，能够引起振铃的能
14、量。 “匹配”概念：简单地说，总线终端所接负载阻抗等于总线特性阻抗时，称为总线终端是匹配连接的。匹配时，总线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波。（4）、线间串扰：串扰是指一条线上的信号通过互感和互容被干扰的线上产生不希望的耦合信号。串扰分近端（异向）串扰和远端（同向）串扰两种。近端串扰是电容串扰和电感串扰之和；远端串扰是电感串扰和电容串扰之差。在TTL系统中,近端串扰幅度可达0.8V左右,应该尽量避免产生近端串扰，将平行传输信号的发送线和接收线分开。（5）共式噪音：当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这是共阻抗
15、耦合。在线上产生不希望的共阻抗耦合，就是共式噪音。为了减少在传输信号时长线上电流对电源和地的扰动，驱动器和接收器的接地端应该直接与地线相连，同时它们的电源和地之间要加去耦电容，这样就保证了信号传输时，线电流回路不对其它电路产生共式干扰。（6）无匹配终端迹线的最大允许长度计算：当回路（信号源负载信号源）的传输延时等于信号上升时间时，利用以下公式计算： Lmqx 最大允许长度（cm）；tr 脉冲边沿时间(ns)；tpd 传播延迟时间(ns)经验公式可以简化为：(cm) 微波传输线(cm) 带状线如果一条迹线长度大于Lmqx ，那么应该对这条迹线设计终端匹配阻抗。因为现在这条长线电路上就可能会出现反射现象了。长线电路内由于阻抗不区配产生的反射也会使电路不能实现相应的功能，并且能够产生射频电流，甚至在有匹配终端的情况下，这条迹线也
