理解EMC涉及两个重要概念:(1)所有电流都在环路中流动;(2)高频信号在传输线中以电磁波的形式传播,场能在电介质中传播。这两个概念是相关的,因为它们相互交织在一起。数字信号产生传播场,导致对流电流在铜迹线/平面中流动。
电流成回路流动
这两个概念密切相关,相互耦合。我们电路设计师忽略的问题是定义返回源的返回路径。仔细想想,我们甚至没有在原理图上画出这些返回路径——只是将其显示为一系列不同的“地面”符号。
那么什么是“高频”呢?基本上,任何高于50到100千赫的东西。对于小于此频率,返回电流将趋向于沿着最短路径返回源(最小电阻路径)。对于高于此频率的频率,返回电流倾向于直接跟随信号轨迹的下方并返回到源(阻抗最小的路径)。
当高dV/ dt返回信号,例如来自低频DCDC开关模式转换器或高di/dt返回信号与I/O电路返回电流或敏感的模拟返回电流混合时,一些板设计就会出错。我们将在下一篇文章中讨论PC板设计。只是要意识到设计明确的信号和电源返回路径的重要性。这就是为什么在高频信号下使用固体回程平面,然后在电路板上隔离数字、电源和模拟电路(保持它们分开)是如此重要。
信号如何移动
当频率大于直流时,数字信号开始在传输线中以电磁波的形式传播。如图1所示,高频信号沿微带传输线传播(例如,在返回平面上的电路迹线),波前沿返回平面在铜迹线和铜迹线中诱导传导电流。当然,这种传导电流不能流过PC板电介质,但是在波前的电荷排斥在返回平面上的类似电荷,这“看起来”就像电流在流动。这与电容器的原理相同,麦克斯韦将这种效应称为“位移电流”。
信号的波前以光速的一部分传播,由材料的介电常数决定,而传导电流由高密度的自由电子组成,以大约1厘米/秒的速度移动。近光速传播的实际物理机制是由于电子场中的“扭结”,它沿铜分子传播。更多细节请参考文献1、2和3。
图1 -带电流的数字信号沿微带传播
重要的是,这种传导电流和位移电流的组合必须有一个不间断的路径返回到源。如果以任何方式中断,传播的电磁波将在PC板电介质层内部“泄漏”,并导致电磁耦合和“共模”电流形成,然后耦合到其他信号(交叉耦合)或“天线状结构”,如I/O电缆或屏蔽外壳中的槽/孔。
我们大多数人都学过“电路理论”的观点,当我们想象回流电流如何流回源头时,这是很重要的。然而,我们还需要考虑这样一个事实,即信号的能量不仅仅是电流流,而是通过电介质移动的电磁波前沿,或者是“场论”的观点。记住这两个概念只是加强了设计传输线(返回路径直接相邻的功率和信号迹线)的重要性,而不仅仅是简单的电路迹线路由。
值得注意的是,所有配电网络(pdn)和高频信号走线都是传输线,能量在正常fr4型板介质中以大约一半光速的电磁波形式传输。在下一篇文章中,我们将展示当返回路径或返回平面被间隙中断时会发生什么。更多关于PDN设计的内容可以在参考文献4,5,6中找到。
差模与共模电流
参考图2,差模电流(蓝色部分)是数字信号本身(在这种情况下,显示在带状电缆中)。如上所述,当信号波前沿微带和回平面形成的传输线移动时,导通电流和相关回电流同时流动。
共模电流(红色部分)稍微复杂一些,因为它可能以多种方式产生。在图中,由于ic的多个同时开关噪声(SSN),返回平面的阻抗导致了小的电压降。这些电压降诱导常见的噪声电流在整个返回(或参考)平面上流动,因此耦合到各种信号走线。
图2 -差分和共模电流的例子
除了SSN,共模电流还可能由回流平面的间隙、端接不良的电缆屏蔽或不平衡的传输线几何形状产生。问题是这些谐波电流倾向于沿着屏蔽I/O或电源线的外部逸出并辐射出去。这些电流可以非常小,在μA的数量级。只需要5到8 μA的电流就能通过FCC B类测试极限。
总结
为了获得最佳的EMI性能,通常需要一个设计合理的PC板,其所有信号和pdn的返回平面相邻,正确绑定I/O电缆屏蔽,具有最小插槽或间隙的良好绑定屏蔽外壳,以及在所有I/O和未屏蔽产品的电源线上进行共模滤波。在设计早期注意这些因素可以大大降低EMC和EMI合规性失败的风险。
参考文献
- Bogatin,信号完整性-简化,第3版,Prentice-Hall, 2018年。
- 莫里森,接地和屏蔽-电路和干扰,威利,2016。
- 莫里森,快速电路板-能源管理,威利,2018。
- Smith和Bogatin, PDN设计的电源完整性原则,Prentice-Hall, 2017。
- 桑德勒,电源完整性-测量,优化,并排除电子系统中电源相关参数,麦格劳希尔,2014。
- 诺瓦克和米勒,频域特征的配电网络,Artech House, 2007。