EMC教程系列之識(shí)別當(dāng)前路徑

一般來說，電氣工程師更愿意用電壓而不是電流來考慮電信號(hào)。數(shù)字邏輯電平通常由信號(hào)電壓決定，而電源通常是恒壓源。通?？梢允褂煤?jiǎn)單的探針測(cè)量電路中的電壓，而無需對(duì)電路進(jìn)行大量加載。

另一方面，電流更難測(cè)量。通常情況下，電流通過一個(gè)小電阻并測(cè)量電阻上的電壓來測(cè)量?；蛘撸覀儨y(cè)量電流伴隨的磁場(chǎng)在回路中感應(yīng)的電壓。在許多電路設(shè)計(jì)中，規(guī)定了最大電流，但很少注意電流波形或電流路徑。

在集成電路中，從管腳流出的信號(hào)電流的最終目的地是，

1. 接地

2. 印刷電路板的接地層

3. 集成電路上的一個(gè)或多個(gè)其它引腳

EMC工程師必須培養(yǎng)的一項(xiàng)最重要的技能是識(shí)別電子系統(tǒng)中有意和無意電流的能力。Current主要負(fù)責(zé)第一章中描述的4種可能的EMC耦合機(jī)制中的3種。如果不了解每個(gè)電路中電流的流動(dòng)方式和流向，就很難預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)中的問題或修復(fù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的問題。

識(shí)別電流路徑時(shí)要記住的第一條規(guī)則是所有的電流都回到它們的源頭. 換句話說，電流是循環(huán)流動(dòng)的。是的，存在位移電流（即當(dāng)導(dǎo)體上的凈電荷變化時(shí)產(chǎn)生的時(shí)變場(chǎng)）。然而，凈電荷不能產(chǎn)生或破壞，流出設(shè)備一側(cè)的電流（即傳導(dǎo)電流和位移電流之和）必須等于流入另一側(cè)的電流。

數(shù)字電路設(shè)計(jì)者常常忽略了設(shè)計(jì)中的電流流向。通?？梢钥吹綇男盘?hào)源到負(fù)載的當(dāng)前路徑非常小心地布局，而從負(fù)載返回到源的路徑任由偶然。

許多年前，IBM的EMC工程師正在評(píng)估一種存在嚴(yán)重電磁敏感性問題的產(chǎn)品。該系統(tǒng)采用了一個(gè)8位通信總線，該總線通過電纜連接在兩個(gè)盒子之間。當(dāng)EMC工程師檢查電纜時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)電纜正好有8根電線（每個(gè)信號(hào)一根，但沒有一根用于返回信號(hào)電流）。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師解釋說，信號(hào)是指每個(gè)盒子的底盤接地的電壓。產(chǎn)品工程師沒有意識(shí)到的是，信號(hào)返回電流必須流經(jīng)機(jī)箱，然后是電源電纜，然后通過建筑布線，然后通過電源線和電源盒的機(jī)箱。這個(gè)相對(duì)高阻抗路徑導(dǎo)致兩個(gè)盒子的底盤處于不同的電位。此外，與信號(hào)電流路徑相關(guān)的大回路面積能夠接收大量的電磁噪聲。

圖1：沒有顯式信號(hào)返回路徑的8位數(shù)據(jù)總線

然而，這并不是全部。如圖1所示，底盤/建筑地面是一個(gè)可能的信號(hào)電流返回路徑，但它不是唯一的。在這種情況下，任何信號(hào)線中的電流也可以選擇通過其他信號(hào)線返回到源。例如，假設(shè)在這種情況下，邏輯“1”由信號(hào)線上的正5伏表示，邏輯“0”表示為0伏。然后在任何給定時(shí)間，來自邏輯“1”線路的電流可以通過邏輯“0”線路返回到電源。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，來自邏輯“1”線路的電流將流過其自身的負(fù)載電阻，然后流過邏輯“0”線路的負(fù)載電阻，在這些負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓。

電流是否會(huì)通過底盤接地或其他信號(hào)線返回各自的電源取決于這兩個(gè)選項(xiàng)的相對(duì)阻抗。識(shí)別電流路徑時(shí)要應(yīng)用的第二條規(guī)則是電流有利于阻抗最小的路徑 .

圖2：一個(gè)簡(jiǎn)單的電流路徑演示。

考慮圖2所示的配置。一個(gè)變頻電源在同軸電纜的輸入端施加電壓。信號(hào)電流沿著同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體流過電纜，然后流過電阻器。在這一點(diǎn)上，電流有兩條可能的路徑返回到源。電流可以以最短的路徑通過銅排，也可以沿著同軸電纜的屏蔽層流動(dòng)。

在低頻下，電流路徑的阻抗主要由導(dǎo)體的電阻決定。由于短路棒的電阻比同軸電纜屏蔽層低，所以大部分電流在短路棒中流動(dòng)。然而，當(dāng)電流通過棒返回時(shí)，電流路徑的回路面積相對(duì)較大。電流路徑的阻抗約為R+j o我，其中R是導(dǎo)體電阻和我是路徑電感

在高頻下，電感成為比電阻更重要的參數(shù)，阻抗最小的路徑就是電感最小的路徑。因此，在高頻下，電流會(huì)回流到電纜屏蔽層上。該路徑使回路面積最小，因此是電感最小的路徑。

在圖2中的例子中，電阻和電感電抗相等的頻率約為5 kHz。確切的截止頻率將取決于材料和路徑的幾何形狀。然而，對(duì)于大多數(shù)實(shí)際的電路配置，最小阻抗的路徑將是在千赫茲或更低頻率下電阻最小的路徑。它將是在兆赫或更高頻率下電感最小的路徑。

以圖3所示的印刷電路板為例。來自設(shè)備1輸出引腳的信號(hào)電流通過銅線流向設(shè)備2的輸入引腳。我們假設(shè)進(jìn)入設(shè)備2的電流來自標(biāo)有“GND”的引腳，進(jìn)入設(shè)備1的電流來自標(biāo)有“GND”的引腳，兩個(gè)“GND”引腳都連接到一個(gè)固體上銅板上的飛機(jī)。在這種情況下，目前的回歸路徑是什么？

圖3：由兩個(gè)元件組成的簡(jiǎn)單印刷電路板。

圖4a說明了當(dāng)電流采用最小電感路徑時(shí)，微帶線下導(dǎo)電平面上的電流分布。請(qǐng)注意，大多數(shù)電流返回的頻帶寬度只有幾個(gè)跡線高度。在兆赫或更高頻率下，電感將決定電流返回路徑，電流將主要在圖5a所示軌跡正下方的狹窄路徑中流動(dòng)。

圖4b顯示了當(dāng)平面的電阻是路徑阻抗的主要貢獻(xiàn)者時(shí)，平面上的電流分布。電流密度基本上均勻分布在整個(gè)平面上，并且與平面寬度成反比。如圖5b所示，從頂部看，電流從其沉積在平面上的點(diǎn)開始擴(kuò)散，并在離開平面的點(diǎn)再次聚集。

圖4：微帶線下平面表面的電流密度a.）當(dāng)電感占主導(dǎo)地位時(shí)，b.）當(dāng)電阻占主導(dǎo)地位時(shí)。

圖5：圖3中電路板平面上的電流路徑：a.）MHz及以上頻率，b.）kHz及以下頻率。

對(duì)于圖6中所示的每個(gè)配置，標(biāo)識(shí)主回路電流路徑。

圖6：示例1的信號(hào)傳輸配置。

在上面的第一個(gè)配置中，返回電流只有一個(gè)可能的路徑。因此，所有低頻和高頻電流必須返回金屬表面。在第二種配置中，兩端接地的電纜屏蔽提供了另一種返回路徑。兆赫或更高頻率的電流將返回到同軸電纜屏蔽層上的電源。千赫茲和低頻電流將根據(jù)其相對(duì)電阻在兩個(gè)導(dǎo)體之間分布。

對(duì)于帶狀電纜配置，低頻電流主要在導(dǎo)線1、2和7上返回，每條導(dǎo)線上的電流相等。高頻電流將主要通過導(dǎo)線7返回。

最后一個(gè)配置說明了兩個(gè)與雙絞線通信的設(shè)備。信號(hào)電流從線對(duì)中的一根線流出，并在高頻下返回到線對(duì)中的另一根線。然而，在低頻下，相當(dāng)一部分（也許大部分）電流將通過每個(gè)設(shè)備的機(jī)箱接地返回。這種意外的返回路徑可能會(huì)導(dǎo)致各種EMC問題。