良好的SI、PI和EMC要求对电学有适当的、成熟的理解……
而不是电路设计师所学的!
作为电子设计师,我们被教导儿童版的电在学校、学院、大学等。这就是那个版本假装(就像SPICE模拟器一样)电流在导体内部以小电荷包的形式流动。
我们被教导只有信号的发送路径重要。如果我们想一下返回路径,我们只是假设它们以某种方式出现,它们不是很重要,因为我们的电路设计教科书几乎没有提到它们。即使现在,我们的电路图(原理图)也只显示发送路径!
如果我们选修了麦克斯韦方程的课程,我们会学到很多奇特的数学知识,但却不知道它与实际设计电气或电子产品、设备、系统等有什么关系。
如果我们上了一门射频设计的课程,我们学到了所有关于匹配阻抗传输线的设计——S参数、史密斯图等等——但对不匹配传输线的发送/返回导体的射频行为一无所知,尽管这些在大多数应用中占大多数。
如果我们上了一门射频天线设计课程,我们学到了所有关于为特定的无线电、电视、雷达等应用和服务设计天线的知识,但对天线模式的行为一无所知所有其他导体(在大多数应用程序中,这是绝大多数)。
我们现在需要一个正确理解的电!
2.5GHz无线数据通信无处不在,但越来越不够用;即使是最小的最便宜的微处理器也使用几GHz带宽的时钟和信号,不管我们是否需要这样高的频率,5G蜂窝通信将使用18GHz到100GHz之间的频谱来满足不久的未来的数据通信需求。有用的无线电频谱现在被认为扩展到3THz(即3,000 GHz),我们将在适当的时候使用它。
假装电流完全在导体内部以小电荷包的形式流动,这使我们无法设计出现代电子技术,使它们能够正常工作(SI和PI问题),更不用说具有良好的EMC了。
这是对电学正确理解的一个简单概述
在以后的博客中,我将用实际的例子详细阐述这些问题
- 所有的电信号、数据、电力、无线数据通信和广播、雷达等实际上都是以“光速”传播的电磁波。
- 除空气和真空外,所有物质的“光速”都较低。这意味着,在任何给定的频率下,电磁波在这种材料中传播的波长比在空气或真空中传播的波长要短。
- 我们使用两种导体产生和接收电磁波(我们称之为信号、数据、控制、电力、无线电、电视、雷达等),通常在电路图上标识为发送和返回。
- 杂散(泄漏,寄生,潜行,耦合等)波和电流总是发生,但它们的发送和返回电流路径可能不明显。尽管它们会引起许多EMI问题,但我们从未在电路图上显示它们。
- 当我们更关心电磁波在三维空间中产生的模式而不是它们的传播时,我们把这种模式称为“电磁场”。
- 所有电流——无论是信号、数据、控制、电源等等——总是在闭环中流动。这也包括所有的杂散(泄漏、寄生、潜行、耦合等)电流。
- 所有电流优先在总阻抗最低的回路中流动。这些电流回路不仅限于我们在电路图中绘制的导体,它们可以包括位移电流(即电通量耦合)和/或通过空气和其他绝缘体的磁通量耦合。
- 随着频率的增加,导体内的所有电流都向其外表面流动得更近。这就是所谓的蒙皮效应,这就是为什么我们可以使用导体作为电磁屏蔽的原因。然而,导体并不在乎我们叫它们什么名字,所以所有的导体——无论它们在我们的电路中有什么功能,甚至是信号或电源线和PCB走线——无论我们是否希望它们都具有集肤效应。
- 导体的表面电流和导体周围绝缘介质(通常是PVC或空气)中的电磁场之间有完美的相关性。我们可以说表面电流产生了近场,或者近场产生了表面电流——这两种说法都是对的。因此,我们可以选择用表面电流或近场来可视化/工作-无论哪个最适合我们正在处理的问题。
- 所有导体都有交流电流的串联阻抗,即使是串联电阻绝对为零的超导体。因此,无论何时两个或多个电路共享任何导体-例如,那些我们可能称为地,地,底盘,0V,直流电源轨,活,相,中性等-这些串联阻抗导致噪声在它们之间耦合。称导体为“大地”、“地面”、“底盘”等并不能赋予它神奇的属性!当有交流电流流过时,不可避免地产生交流噪声电压。这被称为公共阻抗耦合,它总是发生,因为任何东西都有阻抗。
- 沿预定导体传播的电磁波同时具有电场和磁场成分(这就是“电磁”一词的来源)。
它们分布在发送/返回导体周围的空间中,这取决于这些导体的物理排列(更近的发送/返回导体间距通常会产生更紧凑的磁场)。暴露在这些电场和磁场中的其他导体会吸收其中的一部分,并因此受到噪声的影响,串扰就是这种噪声耦合的典型例子。 - 空气或其他绝缘体中的电磁波具有“波阻抗”:电场与磁场的比率。
- 发送和返回导体具有“特征阻抗”:单位长度的互感与电容之比的平方根。
- 波动阻抗或特征阻抗的变化分别反映了部分传播的电磁波在空气中或导体中,导致电路中的信号完整性(SI)和功率完整性(PI)问题,并引起导体结构的谐振。这些反射使每一对发送/返回导体(包括那些携带杂散电流的导体)都成为“意外发射/接收无线电天线”。(请注意,在整个长度上被精心设计为“匹配传输线”的发送/返回导体没有明显的阻抗不连续,因此有助于保持良好的SI和PI,并且作为“意外天线”相对无效。)
- 谐振发送/返回导体的阻抗可以非常低(μ W)和非常高(数百kW或更多)。这意味着即使电阻非常低的导体对(比如厚铜条)在特定频率下也可以表现得几乎像开路一样,这取决于它们的尺寸。
- 诸如平面和外壳等导电结构可以经历“意外”结构共振,这使它们表现为各种类型的“意外”天线。微波炉中的磁控管就是一个例子,故意设计一个金属外壳(腔)作为谐振天线,以帮助将能量耦合到食物中(在这个应用中)。
- 由于其结构的形状和尺寸,所有2维和3维导电结构都表现为意外天线,并且在其形状和尺寸与波长相当的频率上——它们可以共振。形成结构的导电部分的电阻越低,在这种共振下的' Q '就越高。因此,在这些结构共振下,在其部件中具有非常低电阻的坚固金属结构可能会遭受非常低(甚至µ欧姆)或非常高(甚至数百kOhms或更多)的整体阻抗。无论我们称这些结构为“地面”、“地面”、“底盘”、盾牌、框架、0V等等,都是如此。