最佳EMC设计的适当基础仍然是EMC和产品设计界一直以来争论最激烈的话题之一。问题在于,对于过去的产品或系统有效的方法,对于使用最新技术或时钟速度的另一种产品或系统可能并不适用。同样地,“经验法则”也并非适用于所有情况,从本质上来说,这也剥夺了设计师的常识和工程判断。
说到屏蔽电缆,你是一端接地还是两端接地?对于PC板,是否使用单独的模拟和数字接地。底盘地面呢?对于那些没有“机箱”的产品,“机箱”是由什么组成的?你使用单点接地还是多点接地?设计师该怎么做?
这些问题,以及更多问题,在Elya Joffe和Kai-Sang Lock合著的长达1064页、重3.5磅的巨著《接地理由:电路到系统手册》中得到了解答。
作者试图提供一个系统的方法来设计接地系统,通过电路,系统,或设施。根据Joffe的说法,“从拓扑的角度来看,电路、机架、平台或设施之间没有根本的区别。麦克斯韦方程组中揭示的电磁学定律无论系统尺寸如何都保持不变。只是它们应用的方式和复杂性各不相同。”
Joffe仍在继续,“我们相信,最终,这本书将有助于消除旧的、过时的和错误的做法,这些做法在低频方面可能是可以接受的,但在今天如此普遍的高频电路和系统中构成了糟糕的设计实践。”
好吧,让我们深入内容,看看这些说法是否属实。
主要内容从第2章开始,包括许多重要的电磁学基础理论,当然,首先是对麦克斯韦方程的简化解释(高斯电场和磁场定律,法拉第u=感应定律,安培定律,电流在电线中产生磁场,最后是边界条件。
但是第二章继续提供了更有价值的基本信息,为后面章节的概念提供了适当的“基础”(抱歉)。这将包括电感的概念,自感,互感,和部分电感的重要概念,以及内电感和外电感。本章最后介绍了元件的高频特性、低频和高频回电流路径、传输线基本原理、信号的频谱内容、差分和共模信号、差分到共模转换、导体的差分模和共模辐射以及磁通抵消。
一旦讨论了基础知识,第3章将以“基础”开始;历史、类型和目标。下面讨论电磁干扰控制的安全、防雷和接地之间的区别。本章以几个案例研究作为结束语。
第4章是一个关于接地设计基础的长节。描述了常见的阻抗耦合,以及避免它的方法。讨论了接地拓扑(单点、多点和复合)方法。“接地树”是一个重要的可视化工具,描述了一步一步创建它们的过程。接下来将讨论隔离开关电源和正确接地的重要性。
第4章最大的部分介绍了地环,为什么它们会形成,以及如何避免它们。这也是EMC设计中许多被误解的概念之一,作者在这里详细介绍了这一概念。本章最后讨论了“分区”接地,即在较大的系统或机架中将多个接地“区域”连接在一起的概念。
第5章涵盖了粘合的所有方面;衬垫,防腐,以及金属结构结合在一起的力学。
第6章介绍单相和多相系统的配电接地(安全)和各种防雷方法。
第七章讨论了布线电路和电缆屏蔽的接地。详细介绍了电缆屏蔽的原理,以及电缆屏蔽的终端方法。讨论了电缆屏蔽的质量和传输阻抗的测量。辫子的影响和退化,在屏蔽他们造成的描述。带状电缆的接地实践是本章的重要内容,同时还介绍了信号接口和传感器的正确接地。
第8章介绍了I/O端口的滤波和瞬态保护的设计。
第9章是书中最长的部分,涵盖了电路板设计的所有方面,在这之间,以及第2章所描述的基础知识,是值得这本书的成本的。作者从信号如何传播和电源或地面回流平面的回流电流的概念开始。本文描述了微带和带线拓扑结构,以及单端和差分传输线。图中显示了低频和高频的回流电流。其他重要的主题包括串扰和常见阻抗耦合。
第9章继续讨论回程飞机间隙的重要概念,这是辐射排放和免疫问题的一个主要原因。通过设计,填充和防垫讨论了有关EMI实践。然后,讨论了子板连接器和适当的接地回针。现在在快速串行数据线中使用的一个有趣的概念是在差分对下面的返回平面中有目的的槽的思想。这些“有缺陷的地面结构”。返回平面上的这些DGS间隙实际上用于减少在微波频率下运行的信号(如千兆以太网和PCI Express II)上的任何共模噪声电流。
第9章继续描述同步开关噪声和产生的EMI的有效管理,配电网络中的噪声和阻抗控制,以及解耦原理。一个主要部分涵盖了一种称为“电磁带隙”高阻抗结构的技术。该技术被用作在传统PC板叠加中形成的微波频率平行板波导的降噪解决方案。
最后,第9章总结了PC板层堆叠,图像平面,局部接地结构,铜填充,屏蔽痕迹,通过围栏,保护环,护城壕,电路隔离,混合信号板接地,如何正确处理A/D和D/A转换器,正确连接电路板到机箱,以及散热器接地。
最后第10章讨论了设施接地、ESD保护、移动系统(如车辆、飞机、航天器和舰船)的接地原理。
还有其他参考信息,包括接地术语和定义的词汇表、相关的首字母缩写词、符号和常量列表,以及与接地相关的标准和手册列表。
总之,《禁足理由》不仅仅是一本关于“禁足”的书。它包括几乎完整的论文对电磁干扰控制从电路和系统的观点。此外,对于产品或系统设计者来说,还有无数的产品设计细节是非常有价值的。
虽然看起来相当庞大,但我建议大多数产品设计师主要关注第2、3、7和9章。第4章、第6章和第8章是有用的,但第2章和第9章是最重要的。强烈推荐!
参考
Joffe和Lock,接地理由:电路到系统手册,Wiley 2010, ISBN 978-0471-66008-8。
亚马逊:https://www.amazon.com/Grounds-Grounding-Circuit-System-Handbook/dp/0471660086/