電磁兼容EMC的重要概念理解

　　理解電磁兼容EMC的兩個(gè)重要概念：

　　（1）所有電流在環(huán)路中流動(dòng);

　?。?）高頻信號在傳輸線中作為電磁波傳播，并且場能量穿過電介質(zhì)。

　　這兩個(gè)概念是相關(guān)的，因?yàn)樗鼈兪墙豢椩谝黄鸬模?a target="_blank">數(shù)字信號產(chǎn)生傳播場，其引起對流電流在銅跡線/平面中流動(dòng)，這兩個(gè)概念密切相關(guān)并相互耦合。我們電路設(shè)計(jì)人員錯(cuò)過的問題是將返回路徑定義為源。如果你考慮一下，我們甚至不會在原理圖上繪制這些返回路徑 - 只是將它顯示為一系列不同的“地面”符號。

　　什么是“高頻率”？

　　頻率高于50到100 kHz的任何東西，對于小于此的頻率，返回電流將傾向于沿著短路徑返回到源（阻力小的路徑）。對于高于此值的頻率，返回電流趨向于直接跟隨信號走線并返回到源（阻抗小的路徑）。

　　當(dāng)某些電路板設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題時(shí)，高dV / dt返回信號，例如低頻DCDC開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器或高di / dt返回信號，會產(chǎn)生I / O電路返回電流或敏感的模擬返回電流。我們將在下一篇文章中討論P(yáng)C板設(shè)計(jì)。請注意設(shè)計(jì)定義的信號和電源返回路徑的重要性。這就是為什么在高頻信號下使用固態(tài)返回平面，然后在電路板上隔離數(shù)字，電源和模擬電路（保持它們分離）非常重要的原因。

　　信號如何移動(dòng)

　　在大于DC的頻率下，數(shù)字信號開始作為傳輸線中的電磁波傳播，如圖1所示，高頻信號沿著微帶傳輸線（例如，返回平面上的電路跡線）傳播，并且波前在銅跡線中引起傳導(dǎo)電流并沿返回平面返回。當(dāng)然，這種傳導(dǎo)電流不能流過PC板電介質(zhì)，但是波前的電荷在返回平面上排斥相同的電荷，“看起來”好像電流正在流動(dòng)。這與電容器的原理相同，Maxwell稱這種效應(yīng)為“位移電流”。

　　信號的波前沿光速的某一部分傳播，由材料的介電常數(shù)決定，而傳導(dǎo)電流則由以約1厘米/秒的速度移動(dòng)的高密度自由電子組成。近光速傳播的實(shí)際物理機(jī)制是由于電場中的“扭結(jié)”，其沿著銅分子傳播。

　　圖1 - 沿微帶傳播的數(shù)字信號，顯示電流。

　　重要的是，傳導(dǎo)和位移電流的這種組合必須具有回到源的不間斷路徑。如果它以任何方式中斷，傳播的電磁波將在PC板介電層內(nèi)部“泄漏”并導(dǎo)致電磁耦合和“共模”電流形成，然后耦合到其他信號（交叉耦合）或者“天線狀結(jié)構(gòu)”，例如I / O電纜或屏蔽外殼中的插槽/孔。

　　我們大多數(shù)人都被教導(dǎo)了“電路理論”的觀點(diǎn)，當(dāng)我們想象返回電流如何回流到源時(shí)，這一點(diǎn)很重要。信號的能量不僅是電流，而是電磁波前沿電介質(zhì)移動(dòng)，或者是“場論”的觀點(diǎn)。牢記這兩個(gè)概念只會強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)傳輸線（具有直接相鄰的返回路徑的電源和信號走線）的重要性，而不僅僅是簡單的電路走線路由。

　　值得注意的是，所有配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）和高頻信號走線都是傳輸線，并且能量在普通FR4型電路板電介質(zhì)中以大約一半光速的電磁波傳輸。我們將展示當(dāng)下一篇文章中的返回路徑或返回平面被間隙中斷時(shí)會發(fā)生什么。

　　參考圖2，差模電流（藍(lán)色）是數(shù)字信號本身（在這種情況下，以帶狀電纜示出）。如上所述，當(dāng)信號波前沿著由微帶和返回平面形成的傳輸線移動(dòng)時(shí)，傳導(dǎo)電流和相關(guān)的返回電流同時(shí)流動(dòng)。

　　共模電流（紅色）稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)樗梢砸远喾N方式產(chǎn)生。在該圖中，由于IC的多個(gè)同時(shí)開關(guān)噪聲（SSN），返回平面的阻抗導(dǎo)致小的電壓降。這些電壓降引起共同的噪聲電流在整個(gè)返回（或參考）平面上流動(dòng)，因此耦合到各種信號跡線中。

　　圖2 - 差模和共模電流的示例。

　　除了SSN之外，還可以通過返回平面中的間隙，端接不良的電纜屏蔽或不平衡的傳輸線幾何形狀來產(chǎn)生共模電流。問題是這些諧波電流往往會沿著屏蔽I / O或電源線的外部逸出并輻射。這些電流可以非常小，大約為μA。只需5到8μA的電流即可通過FCC B類測試限值。

　　摘要

　　總結(jié)符合EMI標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，正確設(shè)計(jì)的PC板，帶有相鄰的所有信號和PDN返回平面，正確連接的I / O電纜屏蔽層，帶有小插槽或間隙的良好連接的屏蔽外殼，以及所有I / O上的共模濾波通常需要用于非屏蔽產(chǎn)品的電源電纜以獲得佳EMI性能。在設(shè)計(jì)早期關(guān)注這些因素可以大大降低EMC和EMI合規(guī)性故障的風(fēng)險(xiǎn)。