介绍
我们经常设计电子产品却发现当我们测试电磁兼容性(EMC)排放量和/或免疫不如我们需要他们。
通常,这个时候,我们觉得好像我们对抗物理定律包含进行和辐射排放,或降低易感性。
但事实上物理定律,麦克斯韦方程,使我们的设计有最好的物理结构允许排放和免疫力。我们可能会说,我们的产品是做最好的,它可以减少其排放和提高免疫力!
(我使用“产品”这个词意味着每一种电子组装,从模块、子系统,设备和系统安装)。
的关键问题——是所有电流(包括流浪狗)总是在封闭的循环流动,并始终用阻抗最小的路径,这个路径是否沿着导体或通过它们之间的空气(或其他电介质)。
电流的阻抗最小的路径,以减少相关的电场和磁场的能量,就像一滴水在空气中假定一个球形最小化能量在其表面张力。
因为自然电流的路径导致最低的电磁场的能量,他们自动给我们最好的排放和免疫力,我们的设计能力。物理定律,而不是战斗我们战斗的是我们自己的缺乏理解的物理定律是如何工作的。一旦我们理解这个我们可以处理这些法律从一开始我们的设计,很容易和快速创建具有成本效益的产品,以满足其电磁兼容规范。
不幸的是,麦克斯韦方程被教导的方式看不出来是多么容易获得(没有任何数学!)的最简单,最简单,最赚钱的方法来设计产品使用良好的EMC工程技术[1]。
信号完整性(SI)和电源完整性(π)EMC工程的子集,所以从一开始就使用良好的电磁兼容设计技术的一个新项目,确保优秀的SI和π(见[2])。
这大大减少设计迭代的数量的影响,一般降低生产总成本,并减少投放市场的时间。
自2000年以来,上市时间成为一个在经济上成功的最重要的问题电子产品。这是行业应对问题6所示[3],如图1所示,我看过类似的声望的组织的其他报告显示相同的对于大多数的电子应用程序。
通常在实践中发现,使用良好的电磁兼容设计技术项目从一开始就提高功能性能,有时甚至给信号质量和功能规范比任何曾经实现过。
不幸的是,一些项目/工程经理坚持最低的物料清单(BOM)的成本,认为这将导致最赚钱的产品。
它阻止了我们工作在哪里与物理定律,我们常常发现自己战斗这显然不明智的和不正确的方法(见[4])。结果是一个数量的额外的延迟和成本上升(如添加过滤和屏蔽通过EMC测试),增加整体的制造成本,延迟市场介绍,减少利润,增加金融风险。
例如,理想的印刷电路板(PCB)层堆栈良好的EMC设计给定的产品可能有八层,但最低SI和功能规范可以会见了6个。节约成本通过使用six-layer董事会大大抵消额外的延迟和成本增加过滤和屏蔽的项目,以满足其电磁兼容规范。
制造的总体成本最终被远远高于将与培育出PCB取得,而且(更重要的)上市时间推迟了几个星期——在某些情况下可以使产品的区别成功和失败。
本文简要介绍了物理定律适用于我们的产品时的SI,π和EMC设计问题,开发一个“EM设计工具箱”。然后简要描述了应用工具箱一个PCB组装的例子。
我写过类似的文章应用这些相同的物理定律来缓解系统的EMC设计和安装或任何大小,[5],可能有些读者感兴趣的。
内部和外部电磁兼容
除了直流直流信号的扇出等问题或造成的电压降在直流电源导体电阻,所有SI和π问题只是EMC的子集,如图2试图展示(也参见[2])。他们可能被称为“内部EMC”——产品干扰本身。更多细节,参见第八章2.10[6]或[7]。
一切都渗透(µ)和介电常数(ε)
所有的媒体和材料在这个宇宙有导电性,渗透率(µ)和介电常数(ε)。
在真空和空气):
µ0= 4π107用表
ε0=(1/36π109)法拉/计
其他媒体和材料的特点是他们的相对渗透率(µR)和介电常数(εR)- - -无量纲数,只是乘数为真空磁导率和介电常数,所以整体渗透率是:µ0µR和他们的整体介电常数是:ε0εR
渗透率与感应电磁能量,我们画磁场等值线。
介电常数与电容电磁能量,我们画出电场轮廓线。
电导率(和它的倒数,电阻率)与能量损失有关,即电磁能量的转换(磁或电)转化为热能。
导电结构的形状和大小带着电流,和µ0µR和ε0εR媒体或材料的嵌入,使电感(左)和电容(C),分别。
这意味着每当有一个波动电压(V)总是一个相关的电流(I)。
反之亦然:每当有一个脉动电流(I)总是一个相关的电压(V)。
一些数字设计师认为因为CMOS门的输入电阻是几个MΩ,PCB痕迹携带数字信号电压没有电流(或很小)。这是不正确的,因为它忽略了不可避免的和不可避免的寄生电容的痕迹和门的输入。
例如,与门的输入电容3 pf和3伏特的数字信号上升时间300 ps(这些天非常缓慢)所需的峰值电流,充电这一输入门单独约30 ma。这强烈的电流“飙升”必须在一个循环流,包括直流电源分布网络,所以会导致各种各样的SI,π和EMC问题。
在绝缘体和电介质µ(如空气、PVC、玻璃纤维)0µR和ε0εR电感和电容,所以造成类似的影响每当有一个脉动电场(E)总是一个相关的磁场(H)。
反之亦然:每当有一个波动的磁场(H)总是一个关联的电场(E)。
第二章2.3[6]和[7]对上面的更多细节。
由于麦克斯韦方程…
每个波动电压或电流是EM功率(瓦特,即电能的流速),传播波在介质速度v= 1 /√(µ0µRε0εR)m / s (≅3.108 m / s在空气或真空)和创建电磁(EM)领域。
这适用于每一个电事件,是否我们称之为电力;电子或无线电信号;红外线;淡定;闪电等,和包括所有60 hz电源功率;模拟、数字和开关型电源和信号;数据通信;使用者(RF)和微波炉等,包括所有电气、电子或无线电“噪音”。
图3是一种可视化的尝试一个向量的单一频率的电磁波在自由空间的传播。其显示E和H字段是互相垂直,并且他们都在波动的方向垂直于方向EM权力是传播。
通常的类比是海上的波涛,在海洋的表面波能量传播虽然分子的海水一波只上下移动。
可视化的一个常见方式E和H字段与导体的电压和电流,如图4所示,发送/返回两个导体横截面所示。左线总是终止在导体上,垂直于其表面,和磁场线永远不会终止。
这些线应该考虑像等高线地图——他们不是真正的,但是他们的密度(每英寸的行数)表示磁场的强度(就像一座小山的斜率)。所以我们可以看到,E和H之间的磁场强度是最高的发送和返回导体。
与当前相关的电力电线传播沿长度的电线。因为在截面图4显示了电线,电力(即能量传播EM)流动垂直于表面上或屏幕上的你正在阅读这些话,和E H字段的平面草图波动在这纸上或屏幕上。
麦克斯韦尔著名的四个方程包括安培定律,说电流总是流在封闭循环,法拉第电磁感应定律,说电流总是流在循环区域等方式来减少。
麦克斯韦自己发明了位移电流的概念,展示脉动电流流过电容即使没有导电路径。
因为能量守恒定律…
忽略了虚粒子的“量子真空”,[8],总有0 beplay官方免费下载EM权力在任何时候在太空中。新兴市场力量进入一个点必须完全平衡的力量离开它。
这是基尔霍夫电流定律,通常被描述为:“在任何时候电流之和等于零”,和相当于安培定律。
把这个的另一种方法是说所有电流流在封闭循环。如果一些当前逃离一个循环,可以自己走掉了,再也不回来,然后在点的地方主循环会有一个不平衡电流。电流会积累在这一点上,能量守恒定律告诉我们这是不可能发生的(在我们的宇宙中,无论如何)。
所以我们看到能量守恒(在这种情况下有时称为电荷守恒定律)意味着我们可以重写基尔霍夫电流定律:“EM权力在任何时候之和等于零”。
这意味着在任何电路节点发送一个电流(是否电力、信号、噪音等)也同时会发出当前反相,我们调用的返回电流。
这些发送和返回电流传播通过各种媒体的阻抗(空气、导体等),最终建立会议我们所认为的发送/返回当前循环。在任何时刻,发送和返回当前的电流路径相互抵消。
注意,因为所有的权力,信号和噪声(流浪)电流,任何形式的,在封闭的循环流动,这意味着连接到地球的安全/地面电极通常没有相关性,SI,π或EMC设计。
(可怜的EMC设计,杂散电流回路可以穿过地球安全/地面,使用它作为一个方便的导电结构,并导致高水平的排放和糟糕的免疫力。)
但它是真的所有由于量子电动力学(QED)
返回电流如何“知道”什么路径遵循各自发送电流精确匹配了?费曼教授的苗条的书,[9]说,传播EM能量(光也是电磁能量)的道路至少时间——这也是能量最小的路径——这也是出最好的SI的路径,π和EMC可能对于一个给定的几何和媒体/材料(虽然最后没有找到结论[9])。
找出传播EM能源“知道”要做到这一点,我们必须整合在整个时间和空间,包括消极的时间。费曼教授这是伟大的洞察力,使世界的量子电动力学的计算,并负责现代电子技术。
但当费曼教授的学生问他支撑这个自然的行为,他说没有人知道,甚至是没有意义的问这个问题。它只是自然的方式工作。然而,正在取得一些进展回答这个问题,最受欢迎的解决方案是“多重世界”或“平行宇宙”的理论,这是真的,否则量子计算机不工作。
QED的特点是有违常识和破坏因果之间的关系的时候,有一些结果,看起来非常奇怪。显然,有足够敏感仪器听众听到什么球赛的结果会通过听广播的未来!不幸的是只达到几飞秒到未来——没有足够的时间将赢得赌注。
QED也允许一个点的功率预算偏离零几飞秒,但之后,能量守恒定律坚称书必须平衡力量再次为零,如5以上所述。
麦克斯韦方程和相关物理定律描述了一个常识性的,因果理解基本概念的世界使它很容易和快速设计low-overall-cost好SI,π和EMC——但QED的概念支撑这非常奇怪,棒极了。
尽管它古怪,QED是最可行的理论认识,并已被证明是准确到11个数量级以上重力(到目前为止)是可能的。
令人高兴的是,SI,π和EMC工作,工程师需要再比麦克斯韦方程和能量守恒(或费用)。
如果上述是什么意思,π和EMC吗?
他们之间的权力划分根据另外备用路径
在远场的电磁源,E和H领域经验的“波阻抗”媒体或材料电磁功率传播通过:
在空气或真空:√(μ0/ε0)= 120πΩ(足够附近377Ω)
在其他媒体(如PVC、油、玻璃纤维等):
120年π√(μR/εR)Ω
这些简单的波阻抗公式只适用于“远场”,典型的无线电发射和接受,而在“近场”的阻抗情况更加复杂,并主要对阻抗的影响路径通过空气或其他介质的电感和电容耦合,通常被称为“流浪”或“寄生电感和电容。见2.4章[6]或[7]2.3.3,更多信息,包括如何计算我们是否接近或远场。
对电磁波传播在导电结构(我们称之为功率、信号或杂散电流流入的电缆和PCB痕迹),周围介质对阻抗具有重要影响,但也带着当前的形状结构,附近的导体的形状和距离——尤其是返回导体(s),但其他导体在近场也将产生影响。
所以电磁波传播沿导体可以体验阻抗较低,或更高,比周围的介质的阻抗。
这意味着对于脉动电流沿着导体旅行总有空气中的可选路径和其他电介质,所以它的发送/返回电流环路从来都不是一个简单的人。
事实上,所有电流总是分裂和流程在多个可选路径,另外的比例根据每个路径(路径的导纳是其阻抗)的倒数。
这是概念上没有不同于直流电流的方式通过一束平行电阻将划分根据他们的各种电导(电阻的倒数)——与最高的电流电阻最小值(即最高的电导)。
电流波动最大的区别是什么有时被称为“看不见的示意图”——流浪的功放和电感的阻抗,是替代电磁能量流动的路径,成功的实际电磁兼容工程师学会想象当他们看导电结构。
每个部分的电流环有几个可选路径。路径可以通过组件和导体或设备,或通过的路径在绝缘,PCB基板,空气,等等。
它只是传播的电磁波;并不重要。导体,组件和我们设计的装置,和杂散电容/电感耦合和“意外天线”排放(见7.2),我们没有设计,而不是想要的(但也不能完全避免)看起来就像所有不同另外(倒数的阻抗)。
例如,很大一部分的EM波浪发电可能留下一个导体,继续它的路径通过空中旅行——例如(电容,电)位移电流,如果它看到空气路径阻抗可比与导体。
当导体共振(即不是well-matched-impedance传输线,见7.6)的方式创建一个高阻抗,“杂散电容”路径通过空气可以很容易地创建一个回路阻抗较低,导致大多数当前旅游的位移电流。
和一个空气路径的方式创建一个低阻抗产生共鸣,它可以很容易地创建一个路径与更少的回路阻抗比导体,所以再次大多数当前的电位移电流在空中旅行。
我们可以说我们SI的主要任务,π和/或EMC设计是减少电磁波的比例(希望电流),“泄漏”的导体——“逃”到附近的导体通过寄生电容和电感(我们所说的相声),以及“逃”到空气远场电磁波(我们称之为EM排放和测量天线在测试实验室)。
重要的是要理解,每一个电流环路,然而形成,然而许多分支电流路径的地方,总是返回完全100%的电磁能量回到源头,符合能量守恒定律。
事实上,电力和信号传播的现实不是电流开始从一个电压源并最终返回-流动在一个循环或循环但发送和返回电流实际上是由源生成的同时,和平衡彼此的每一个瞬间。
不管怎样,这个角度看,电流在多个路径根据他们的另外,表明——实现好的SI,π和/或EMC——所有我们需要做的就是控制阻抗在不同的路径可用到我们想要的信号或电源电流,以便他们旅行主要在我们想要他们的循环。
例如,如果它是可能的设计,所以没有信号或电源电流“丢失”的替代路径,那么我们必须没有相声,没有排放,——直接导致我们产品的SI和π必须完美,他们排放零(见[2])。同时,互惠的原则(见7.2),其射频免疫力将是完美的。
当然,完美是永远不会实现的但我们可以接近充分少量减少排放,需要和提高免疫力的,,但并没有显著增加生产的总成本,简单的工作与物理定律。
关于这个主题的更多信息,见第二章2.3[6],[7]或10.1.4 [10]。
所有导体都“意外天线”
一个发射天线只是一个导体故意泄漏其电压和电流作为新兴大国到空气中。一个接收天线是一个简单的导体故意拿起电压和电流的电磁场。
当然,更常见的情况是,我们不希望我们的导体传输(泄漏)他们的一些新兴市场力量,或接噪声环境。EMC工程师通常所说的事实,他们总是做泄漏和皮卡:“意外天线行为”或“无意天线行为”。
当导体接触E、H或电磁波传播在其绝缘介质(例如空气),其电气/电子电路经历相同的电压和电流噪声,我们需要创建如果我们想生成相同的导体场模式。这就是所谓的对等原则。
互惠的原则也适用于偶然的天线,所以当一个导体携带电流不完美想电流环的控制,导致噪音排放,它从新兴市场环境将遭受噪声传感器以完全相同的方式。
当电子工程师正在讨论如果或者π,他们通常叫意外天线行为相声,他们注意到同样的技术,减少了噪声耦合相声的“侵略者”或源也有助于减少噪音的相声的“受害者”——另一个对等原则的例子。
电流环的大小和耦合
他们权力的转移从一个导电电路到另一个——无论是否故意叫电磁耦合。它可以被描述为“耦合系数”(当然)频率的依赖,因为他们代表了寄生电容和电感。
第一共振频率,面积越大的发送/返回当前路径的总循环,其阻抗较大,其导纳越小,和更大的E、H油田模式,因此它与其它导体耦合。
如图5所示为电和图6 H-fields(图10,见后)电流环越大,越高其想要的比例目前的夫妻(泄漏)“受害者”电路,导致不必要的更高水平的噪声电流流动循环,增加想要的波形失真信号,以及不断恶化的排放和免疫力。
图5和6显示我们,重要的是尽量减少发送/返回电流环区域,所有电路——无论是意外发射器或接收器电磁噪声最大化他们的SI,π和EMC。更多细节,参见第五章[6],[7]2.7或10.1 [10]。
所有电流(包括流浪狗)自然阻抗最小的路径
电流这一事实自然“喜欢”流动面积最小的循环的路径和最低阻抗(6中描述上图)是唯一的方法,我知道的物理定律与是的,π和EMC设计师,而不是反对我们。
解决计算机领域显示这种现象非常明显。图7和图8复制从[11],并表明,当弯曲线携带电流路由接近钣金机箱使用作为一个返回路径,返回电流几乎只在下面的金属导线,其弯曲的路径后,大约1 khz以上频率。
这是因为返回路径在下面的金属板弯曲线产生最低的总阻抗的电流环区域结构,即使返回当前必须绕一个弯来实现它。
图8所示的红色虚线所画的作者[11],帮助读者理解的意思或平均电流返回路径在哪里,因为电磁场解算器简单地提供了颜色渐变。
注意1 khz以上,尽管返回电流流入金属板的一部分,其余的表“安静”——即它没有电流流动,所以没有电压降穿过它。
电路使用这些安静的部分表的当前返回路径(如飞机作为他们0 v)不受任何弯曲导线返回电流的电压噪音。(在100赫兹和下表如此之低的阻抗的电压噪声引起的其他电路由now-widely-spreading返回当前一般可以忽略不计)。
这是一个非常重要的结果表明,我们可以有许多不同的种族隔离电路领域(如数字、模拟、开关型,等等)共享同一0 v平面(我将开始调用下面8中的射频参考)没有他们的“噪音”电流导致串扰或区域之间的干扰。看到第7章[7]和[12]的更多细节用这一事实来帮助实现低成本的硅,π和EMC。
我见过多次这样的模拟,与PCB wire-over-sheet结构如图7所示或痕迹在飞机(如幻灯片46-50[13]),我也看到它作为实际演示使用相关专业调查。结果是相同的,然而许多GHz人关心。
权力和Aignals导体的波传播的两种模式
差模,DM(也称为横向或金属模式)就是我们所说的“想要”权力和信号。
共模,CM(也称为“纵向模式”或“天线模式”)是由杂散,泄露,“意外”电磁能量E DM循环的近场或H字段满足另一个导体,如图5和图6所示。它也发生在远场电磁波夫妇想要的信号的功率电路,到另一个电路——意外的无线电传输和接收。
图9显示了相对路径的DM和CM电流在一个简化的系统。
套用上面7.1——电力并不都留在线!
有些旅行流浪厘米电流,——就像所有电流必须在封闭的循环流动。
因为厘米循环非常通常比DM循环导致他们,他们的E和H领域更广泛的传播模式。厘米的结果通常是“意外天线”效应的主要原因引起电磁问题对排放和免疫1 ghz的频率范围从1 mhz。
图10显示了CM电流也与“受害者”几个电路通过磁场耦合,类似于DM电流(图6)。
CM大小的减少循环降低其磁场耦合成受害者,以同样的方式,减少DM的大小循环如图6所示。和减少CM大小的电流环也会降低电耦合到受害者的数量,以同样的方式对于DM电在图5中。
所以,一样是很重要的如果,π和EMC环路面积最小化,所有希望(DM)当前循环,同样重要的是不必要的,偶然的,厘米当前循环。关于这个主题的更多信息,见5.5章[6],[7]的2.7.5或10.1.5 [10]。
产生共鸣的导体做完美的意外天线
有各种各样的原因在导电结构共振,在特定的频率…
)当L和C电抗恰好相等
b)由于几何与波长交互
第二项考虑传输线匹配。当不匹配的导体阻抗特征导致传播波被反射,在一定条件下,在特定的频率会导致产生驻波,这是一种共鸣。
在共振频率,回路阻抗剧烈波动,在导体串联电阻之间的几mΩ(可能),流浪的分流电阻(可能几mΩ)。
意外的天线效应(杂散耦合,无论是近场和远场)由共振明显放大,通常10至100倍(20至40 db),可能更多,影响排放和免疫同样由于对等原则。
没有所谓的“地球”或“地面”,是的,π和EMC
潮流总是在封闭的循环流动。所以地球/地面电极提供一个完美的零阻抗下沉,我们可以使用它来吸收,或者使多余的电能,信号或噪音消失,不可能是正确的——这是一个神话,纯净而简单,在这宇宙没有现实依据。[13]有更多,尤其是幻灯片32、33和79。
即使地球/地面零阻抗可以存在(它不能,因为每件事都有阻抗)——如果我们发送一些不需要的电流,电流通过其他途径会回来完成循环。然后:目前没有下沉(在这个宇宙)。
地球/地面只是一个有效的概念(只能有任何影响)对人类安全,在防止电击的问题通过限制人的最大潜在差异可以接触到,无论他们是由电源漏电电流或错误,或闪电中风。
即使地球/地面电极做他们的事出于安全原因,相关的电流仍在封闭的循环流动。
图11至14显示的一些例子通常称之为地球或理由,但只是产品的元素,设备、建筑或站点的导电结构帮助返回厘米电流源。这些结构是否连接到地球安全/地面电极,不信,如果没有结果,π或EMC。
当然,我并不是第一个评论的无意义词如果地球或地面,π和EMC。布鲁斯Archambeault博士是一个IBM杰出工程师和IEEE EMC社会的中流砥柱,和很多年前他图形复制在图15中,作为同一点,但在一个更有趣的方式,参见[13]。
因为它很自然地认为所谓的“地球”或“地面”是无限下沉噪声电流——即使这种事根本不存在这样的文字或图形符号的使用鼓励如果不正确的设计,π和EMC,我见过数百万美元已经浪费了多年来这个原因。
所以我总是强烈推荐单词“地球”或“地面”和他们的图形符号从未使用过电子设计(除非地球安全或地面实际上是——然后电气安全目的)。相反,叫其他名字的导电结构意味着什么他们说,如射频引用(参见下面的8),CM返回路径,等等。
使用“底盘”等词语,“框架”、“圈地”,“盾”或“法拉第笼”也会导致相同的概念设计错误“地球”或“地面”,所以重要的是要非常小心只使用它们意味着他们实际上是金属制成的(即机械结构),而不是假设他们是噪声电流(神话)无限下沉。
更多细节,参见5.7[6]或[7]2.7.7,也11.1.2 11.1.3 [10]。
应用这些“EM设计工具”一个真实的PCB组装
介绍的例子
部分2到7上面给我们一套电磁设计工具——只是精神概念EM的能量,我们称之为我们的电源和信号实际上更喜欢流最大化SI,π和EMC。
注意,在部分2到7我故意用很少的数学;没有必要为这些重要概念的理解。事实上,使用方程可以掩盖真正发生了什么,每一个成功的EMC设计师学会“看”他/她的“心眼”只要看的导电结构的产品。
与现代产品的复杂性是最好的设计师理解概念和“眼睛”,离开计算到适当的类型的EM现场解决。
不管怎么说,现在一个现实生活中的例子,控制电磁排放和免疫力的典型电子产品概述如图16所示。
减少生产的总成本,这PCB组装应具有良好的电磁兼容特性,所以很多钱和时间不需要花(以及增加重量和大小),屏蔽和过滤它让它通过EMC测试。
因为我们的电磁设计工具都关心控制电磁场模式来减少不必要的“噪音”耦合,相同的工具也提高免疫力(例如最大化免疫力到附近的对讲机、手机、GPRS、3 g、wi - fi和蓝牙发射器,同时瞬变,ESD和闪电)。
假设在初始设计的例子并没有按照“基于物理定律的EM设计工具”中列出2到7以上。相反,他们代表的是什么不幸的是仍然在许多电子产品设计部门普遍不好的实践。
一个糟糕的实践使用在我们的例子中是使用所谓的“单点接地/接地”(有时称为“明星接地/接地”),使用0 v平面之间的分裂(和)多氯联苯。这是假定保持设备的循环返回电流局限于某些电路领域,防止它们之间的串扰噪声(如数字噪声模拟),但它只适用低于几十千赫。
分裂0 v飞机忽略了事实,脉动电流总是根据另外划分的各种可选路径,包括“流浪”路径通过空气或绝缘7.1(见上图)。出于这个原因,自1980年以来,作者总是发现当微处理器和开关型转换器,单点接地/ SI接地一直是一个糟糕的设计实践,π和EMC。别人无疑将在1980年之前能够给的例子。
另一个糟糕的设计实践中使用的例子是假设实现最低的BOM成本足以产生最赚钱的产品。板层的数量和金额的功率解耦降至最低,达到了功能规范。条款也没有了合适的EMI滤波器的所有电缆连接,因为这将增加董事会的区域。
第一节提到依赖实现最低的BOM成本创造有利可图的产品被认为是自2000年以来,一个不正确的做法。简单的常识很容易发现这种过于简单的方法固有的谬论,我们只需要考虑一个产品的BOM成本一半(或更少)的所有竞争对手,但保证了100%的回报率。很明显,这不会是一个成功的产品,所以有非常多的产品的盈利能力比它的BOM成本。
我看到许多设计像每年在图16的例子。起初他们都遭受贫穷的功能性能,特别是贫穷的信噪比(S / N)比率和不可靠的软件,许多设计迭代来解决,导致项目延迟,增加成本,减少利润。
功能问题得到解决后,然后他们EMC测试失败,需要很多更多的设计迭代来解决,导致更多的延迟和项目成本,加上要求的过滤器和屏蔽,提高BOM成本、重量和大小和盈利能力降低。他们还遭受higher-than-hoped-for保修返回率,侵蚀利润更大。
阴谋的近场排放20毫米以上PCB装配,在满足其功能规范的阶段,但尚未进行EMC测试,如图17所示。
这样的近场是什么意思?这接近印刷电路板及其组件希望DM信号,加上DM和CM串扰和噪声。高水平意味着降低了S / N比率在模拟电路,并降低噪声的数字电路的利润,导致不可靠的软件。
在EMC测试中,高水平的近场进行大面积显示高水平的和辐射排放,和相应的贫穷和辐射免疫。
在现实生活中,高水平的近场在大面积意味着满意的顾客比例较低(未来的销售成本的提高,因为它更容易销售产品,客户),和更高水平的保修费用。所有导致较低的盈利能力。
我们理解,从物理定律中讨论部分2到7日:
•所有电流(包括糖尿病和厘米的“噪音”电流)在封闭的循环流动
•电流环形状和区域管理模式
•电流自然“喜欢”的循环流动阻抗最低,因此最小的模式和最佳内部和外部的电磁兼容。
我们可以看到如何使许多改进电路设计和PCB布局,减少糖尿病和厘米的区域附近的当前循环和使他们的领域更紧凑。
改善# 1:创建一个射频参考
我们将多个多氯联苯,替换为单个PCB,有一个共同的导体(几乎总是0 v飞机)在其整个区域,我将称之为RF参考。你可以选择你自己的名字,只要它不是“地球”或“地面”。
RF参考PCB中至少有一个坚实的,连续的,铜平面层,位于下面,远远超出所有设备、组件、痕迹和电源平面区域。
不应该有“潜入”这个平面层痕迹,和任何的差距肯定是不可避免的,尽可能小。
手机设计师发现他们产品的近2瓦特超高频和微波射频发射器,话筒放大器和数字处理器意味着即使通过洞周围的间隙射频参考飞机添加太多的阻抗,所以开发microvia PCB制造技术(也称为“高密度互连”或人类发展指数,或“建立”)提供100%固体铜射频参考平面。
一个射频引用实现极低阻抗(Z),这取决于设备的价值和满足EMC需求规范,但它必须< < 1Ω/频率范围,必须控制以避免造成/ EMI。
“频率范围,必须控制以避免造成EMI /痛苦”是所有的DM频率在PCB上的设备,所有的操作环境中存在的频率和/或免疫测试标准(如果他们需要免疫在较大的频率范围内)。
设计一个有利可图的产品是满足客户同时销售合法产品总利润,并可以有更多的EMI参与满足顾客需求不仅仅是通过EMC测试的最低要求的最低标准要求合法销售。
创建一个射频引用的点是,它会自动提供一个低阻抗的(high-admittance)返回路径的所有可能的力量/信号/噪声电流,在PCB和CM噪声电流。因为它是在非常靠近PCB组件的设备和痕迹,所有这些电流环区域很小,只是我们需要SI,π和EMC。
重要的是要意识到,我们不需要“制造”返回射频电流流动的参考,所以至少E和H场排放——我们只需要提供一个射频参考面,他们自然会“喜欢”而不是其他地方的流动!(见图7和8)。RF与低调的组件参考面效果最好,所以我们也取代任何高的组件和设备的谎言接近PCB和射频参考平面层(s)。
见7.4章[7],3和4的[12]和[10]11.2.2更多细节创建有效的低阻抗的射频参考飞机多氯联苯。
# 2:改进解耦直流供应
我们设计直流电源之间的解耦rails和RF参考实现低Z,这(为8.1)的价值取决于设备和满足EMC需求规范,但必须< < 1Ω/频率范围,必须控制以避免造成/ EMI。
这允许DM电流波动的力量rails在小得多的循环流动非常接近的设备使他们——他们自然地“喜欢”,而不是更广泛的流动在RF参考,使小面积的DM CM噪声排放低于近场,创造更大的空间。
电脑主板现在需要实现电源阻抗远小于0.25 mΩ频率远远超过1 ghz。这是不可能实现低成本的去耦电容,因为他们超出300 mhz以上他们自已谐振频率和电感行动-阻抗与频率足够低阻抗不可能上升。
然而,因为我们现在有一个射频PCB参考平面,我们可以把它与相邻电力飞机提供分布式脱钩的功放在PCB的玻璃纤维介质,可以维持很低的阻抗任意数量的GHz。
见7.5章[7]5[12]和[10]的12.1.3细节如何有效分离多氯联苯。
改善# 3:电缆过滤
我们将直接债券或过滤器添加到射频参考off-PCB导体连接所有痕迹,无论他们的电子/电气/其他目的(包括金属机械零件;和金属液压/气动管道,等等)。
过滤输入往往只是一个电容器连接到射频参考,但过滤器输出通常会需要一个系列电阻器或软磁铁氧体窒息,这样添加电容射频引用并不显著增加峰值输出电流。
当然,我们可能需要更复杂的过滤器通过结合电容与电阻和/或软磁铁氧体堵塞和/或厘米窒息,但涉及太多细节,甚至在本文开始解决这个问题。过滤的更多细节,请参阅第五章[7],[12]2或13.2 [10]。
这些直接债券或过滤器放置导体连接到场外的痕迹,为CM提供low-Z路径电流,否则“泄漏”PCB导体。至于8.1,Z所需的值取决于设备和电磁兼容要求规范,但必须< < 1Ω/频率范围,必须控制,以避免造成/ EMI。
改善# 4:使用匹配的传输线
在设备数据表指定匹配的输电线路的使用——通常为高速时钟或串行数据行,设计师几乎总是记得几何控制跟踪和匹配阻抗。
但他们通常不考虑治疗的所有其他痕迹作为匹配的传输线,直到他们正在调查数字信号/ /跌进响或其他不必要的噪音,导致不正确的或不稳定的软件操作在一个项目——阶段延迟和设计变更是最昂贵的。
这些/ /跌进或铃声的迹象强烈排放(可怜的免疫力在发射频率),如[2]所示。抑制他们良好的电磁兼容,通过过滤的司机或使用匹配的输电线路减少“意外天线”效应,防止共振,结果在很低/跌进不响了。它还降低了相声,让(bug)软件非常可靠地工作。
EMC教科书经常提出建议关于当治疗PCB跟踪或电缆传输线匹配,但现在数码设备上升和下降时间一般很短(通常为74 - < 0.5 ns系列胶水逻辑和< 0.2 ns的微处理器和记忆),现在几乎所有实际跟踪和电缆长度需要过滤显著降低它们的频率内容,否则被视为匹配阻抗传输线。
见章节4.7和7.6[12][7]和6的设计与匹配的输电线路。
改进的例子
例如PCB的外观上面提高了8.2到8.5,如图18所示。注意,它仍然有一个平面分割,根据电源安全隔离变压器——不可避免。
尽管增加层板的数量提供射频参考和电源平面,和额外的飞机控制输电线路阻抗,尽管增加去耦电容的数量和过滤器,这是很正常的,制造(BOM)的总体成本较低。这是因为inter-board连接器和电缆已被移除,组装错误的重要原因和返工;不可靠和保证回报。
图19显示了近场图20毫米以上改善PCB组装,目前只有小红色区域的组件。这些是几乎完全DM字段与想要的力量和相关信号,我们无法消除不确定性,自己没有消除电源或信号。
记住,所有脉动电流(权力,是否信号或噪声)是电磁能量传播波,所以最好的我们能做的就是提供结构,允许这些水流自然流动循环的低阻抗(导纳)这样他们自然创建非常小的和局部场模式,对SI极大的好处,π和EMC。当我们已经达到了这个要求,如图19所示,我们看到很少看到field-spreading由于厘米噪声电流。
提高利用电缆屏蔽
使用过滤和无屏蔽的电缆技术(第二章4.4[7],[12]和[10]13.1.8)不能抑制糖尿病或厘米字段在足够的电缆,屏蔽可能需要一些(或者全部)电缆和/或部分(或全部)PCB组装。
结论
所有电气和电子活动真的是EM能量传播波,旅行和连接到地球安全/地面对他们不重要没有影响和不必要的SI,π和EMC。
我们可以很容易地设计电路和多氯联苯创建小型low-Z当前循环电流希望DM和流浪厘米,电磁波自然倾向于流在这些路线。因此,通过工作与物理定律,我们自动实现非常紧凑场模式,这是最好的内部和外部的电磁兼容和财务成功。
因为这些技术控制领域模式来减少不必要的“噪音”耦合,因为互惠原则或相同的技巧也减少敏感性,例如减少不必要的“噪音”耦合。
好的设计如果技术的原则,π和EMC是非常明确的,容易理解,每个人都容易实现在实践中以低成本。产品真的是竭尽全力帮助我们通过EMC测试和满足电磁兼容的要求规范,所有我们需要做的就是给他们一点帮助,从一开始的设计过程。
10。引用
[1]。阿姆斯特朗,k .“关键知识的有效设计电子产品及其EMC -,我们从来没有在大学教”,基思·阿姆斯特朗,ANSYS研讨会“下一代信号完整性和电磁干扰模拟”,2011年3月23日,英国牛津大学。www.ansys.com/staticassets/ANSYS%20UK/staticassets/Keith_Armstrong_Presentation_ANSYS_March_23%202011.pdf
[2]。阿姆斯特朗,k .“EMC和信号完整性”遵守工程3月/ 1999年4月。
[3]“消费电子的繁荣——半导体和电子消费品公司如何提高成本、上市时间,和产品质量,”毕马威LLP的信息、交流和娱乐(ICE)实践,2008年。
[4]阿姆斯特朗,k .“BOM成本和盈利能力,”EMC日报尺码,2009年5月,页。
[5]阿姆斯特朗,k”麦克斯韦方程、量子电动力学、SI和良好的安装实践,π和EMC,”EMC日报问题91年,2010年11月。
[6]阿姆斯特朗,k .“EMC的物质基础,”阿姆斯特朗/坚果树英国,2010年10月,ISBN: 978-0-9555118-3-7。
[7]阿姆斯特朗,k .“电子工程师,EMC设计技术”2010年11月英国坚果树,ISBN: 978-0-9555118-4-4。
[8]http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_state
[9]费曼,r。”QED光和物质的奇怪理论”,企鹅出版社,1990年,ISBN: 0-14-012505-1。
[10]威廉姆斯,t . EMC的产品设计师,第四版,“爱思唯尔2007年ISBN-10: 0-750-68170-5, ISBN-13: 978-0-75-068170-4。
[11]克林格,m .”建模与仿真电动及混合动力汽车的动力系统,“车间FR-AM-4-1, IEEE 2009国际研讨会EMC,奥斯汀,TX, 2009年,17 - 21 8月区间。
[12]阿姆斯特朗,k”为印刷电路板电磁兼容——基本的和先进的设计和布局技术,“坚果树英国2010年12月,ISBN 978-0-9555118-5-1。
[13]Archambeault, b”“地面”的神话”,2008年11月18日,http://ewh.ieee.org/r6/phoenix/phoenixemc/PCB-Design.pdf
基思•阿姆斯特朗伦敦帝国理工学院毕业,1972年与电气工程的一个荣誉学位。他一直IEE成员自1977年以来,自1978年以来英国特许工程师,和一群1 1988年以来欧洲的工程师。1990年他创立了樱桃克劳夫顾问。基思可以达成的(电子邮件保护)。