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分享PCB中產(chǎn)生電磁干擾的原因及消除干擾技巧

發(fā)布時(shí)間:2018-03-27 來(lái)源:電子設(shè)計(jì) 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在PCB中,會(huì)產(chǎn)生EMI的原因很多,例如:射頻電流、共模準(zhǔn)位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。為了掌握EMI,我們需要逐步理解這些原因和它們的影響。雖然,我們可以直接從電磁理論中,學(xué)到造成EMI現(xiàn)象的數(shù)學(xué)根據(jù),但是,這是一條很辛苦、很漫長(zhǎng)的道路。對(duì)一般工程師而言,簡(jiǎn)單而清楚的描述更是重要。本文將探討,在PCB上「電的來(lái)源」、Maxwell方程式的應(yīng)用、磁通量最小化的概念。

電的來(lái)源
 
與磁的來(lái)源相反,電的來(lái)源是以時(shí)變的電雙極(electric dipole)來(lái)建立模型。這表示有兩個(gè)分開(kāi)的、極性相反的、時(shí)變的點(diǎn)電荷(point charges)互為相鄰。雙極的兩端包含著電荷的變化。此電荷的變化,是因?yàn)殡娏髟陔p極的全部長(zhǎng)度內(nèi),不斷地流動(dòng)而造成的。利用振蕩器輸出訊號(hào)去驅(qū)動(dòng)一個(gè)沒(méi)有終端的(unterminated)天線(xiàn),此種電路是可以用來(lái)代表電的來(lái)源。但是,此電路無(wú)法套用低頻的電路原理來(lái)做解釋。不考慮此電路中的訊號(hào)之有限傳播速度(這是依據(jù)非磁性材料的介電常數(shù)而定),反正射頻電流會(huì)在此電路產(chǎn)生。這是因?yàn)閭鞑ニ俣仁怯邢薜?,不是無(wú)限的。此假設(shè)是:導(dǎo)線(xiàn)在所有點(diǎn)上,都包含相同的電壓,并且此電路在任何一點(diǎn)上,瞬間都是均衡的。這種電的來(lái)源所產(chǎn)生的電磁場(chǎng),是四個(gè)變量的函數(shù):
 
1. 回路中的電流振幅:電磁場(chǎng)和在雙極中流動(dòng)的電流量成正比。
 
2. 雙極的極性和測(cè)量裝置的關(guān)系:與磁來(lái)源一樣,雙極的極性必須和測(cè)量裝置的天線(xiàn)之極性相同。
 
3. 雙極的大?。弘姶艌?chǎng)和電流組件的長(zhǎng)度成正比,不過(guò),其走線(xiàn)長(zhǎng)度必須只有波長(zhǎng)的部份大。雙極越大,在天線(xiàn)端所測(cè)量到的頻率就越低。對(duì)特定的大小而言,此天線(xiàn)會(huì)在特定的頻率下共振。
 
4. 距離:電場(chǎng)和磁場(chǎng)彼此相關(guān)。兩者的強(qiáng)度和距離成正比。在遠(yuǎn)場(chǎng)(far field),其行為和回路源(磁的來(lái)源)類(lèi)似,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電磁平面波。當(dāng)靠近「點(diǎn)源(point source)」時(shí),電場(chǎng)和磁場(chǎng)與距離的相依性增加。
 
近場(chǎng)(near field)(磁和電的成份)和遠(yuǎn)場(chǎng)的關(guān)系,如附圖一所示。所有的波都是磁場(chǎng)和電場(chǎng)成份的組合。這種組合稱(chēng)作「PoynTIng向量」。實(shí)際上,是沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)的電波或磁波存在的。我們之所以能夠測(cè)量到平面波,是因?yàn)閷?duì)一個(gè)小天線(xiàn)而言,在距離來(lái)源端數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的地方,其波前(wavefront)看起來(lái)像平面一樣。

 
圖一:波阻抗和距離的關(guān)系
 
這種外貌是由天線(xiàn)所觀(guān)測(cè)到的物理「輪廓」;這就好像從河邊向河中打水漂一樣,我們所看到的水波是一波波的漣漪。場(chǎng)傳播是從場(chǎng)的點(diǎn)源,以光速的速度向外輻射出去;其中,。電場(chǎng)成份的測(cè)量單位是V/m,磁場(chǎng)成份的測(cè)量單位是A/m。電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)的比率是自由空間(free space)的阻抗。這里必須強(qiáng)調(diào)的是,在平面波中,波阻抗Z0,或稱(chēng)作自由空間的特性阻抗,是和距離無(wú)關(guān),也和點(diǎn)源的特性無(wú)關(guān)。對(duì)一個(gè)在自由空間中的平面波而言:
波前所承載的能量單位是watts/m2。
 
就Maxwell方程式的大多數(shù)應(yīng)用而言,噪聲耦合方法可以代表等效組件的模型。例如:在兩個(gè)導(dǎo)體之間的一個(gè)時(shí)變電場(chǎng),可以代表一個(gè)電容。在相同的兩導(dǎo)體之間,一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)可以代表互感(mutual inductance)。附圖二表示這兩種噪聲耦合機(jī)制。
 
圖二:噪聲耦合機(jī)制
 
平面波的形狀
 
若要使此噪聲耦合方法正確,電路的實(shí)際大小必須比訊號(hào)的波長(zhǎng)小。若此模型不是真正正確時(shí),仍然可以使用集總組件(lumped component)來(lái)說(shuō)明EMC,原因如下:
1. Maxwell方程式不能直接應(yīng)用在大多數(shù)的真實(shí)情況中,這是因?yàn)閺?fù)雜的邊界條件所造成的。如果我們對(duì)集總模型的近似正確度沒(méi)有信心,則此模型是不正確的。不過(guò),大多數(shù)的集總組件(或稱(chēng)作離散組件)是可靠的。
 
2. 數(shù)值模型不會(huì)顯示噪聲是如何根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生的。縱使有一個(gè)模型可能是答案,但與系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)是不會(huì)被預(yù)知、辨識(shí),和顯現(xiàn)的。在所有可用的模型當(dāng)中,集總組件所建立的模型算是最好的。
 
為什么這個(gè)理論和對(duì)Maxwell方程式的討論,對(duì)PCB設(shè)計(jì)和布線(xiàn)(layout)很重要?答案很簡(jiǎn)單。我們必須先知道電磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的,之后我們就能夠降低在PCB中,由射頻產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。這與降低電路中的射頻電流有關(guān)。此射頻電流直接和訊號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)、旁路和耦合相關(guān)。射頻電流最后會(huì)形成頻率的諧波和其它數(shù)字訊號(hào)。訊號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)必須盡量的小,如此才能將射頻回傳電流的回路區(qū)域盡量縮小。旁路和耦合與最大電流相關(guān),而且必須透過(guò)電源分散網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生大電流;而電源分散網(wǎng)絡(luò),在定義上,它的射頻回傳電流之回路區(qū)域是很大的。
 
圖三:噪聲耦合方法


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