EMC教程系列之識別當(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。數(shù)字邏輯電平通常由信號電壓決定，而電源通常是恒壓源。通?？梢允褂煤唵蔚奶结槣y量電路中的電壓，而無需對電路進(jìn)行大量加載。

另一方面，電流更難測量。通常情況下，電流通過一個小電阻并測量電阻上的電壓來測量?；蛘撸覀儨y量電流伴隨的磁場在回路中感應(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. 集成電路上的一個或多個其它引腳

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。如果不了解每個電路中電流的流動方式和流向，就很難預(yù)測新設(shè)計(jì)中的問題或修復(fù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的問題。

識別電流路徑時要記住的第一條規(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)流動的。是的，存在位移電流（即當(dāng)導(dǎo)體上的凈電荷變化時產(chǎn)生的時變場）。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?？梢钥吹綇男盘栐吹截?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8位通信總線，該總線通過電纜連接在兩個盒子之間。當(dāng)EMC工程師檢查電纜時，他們發(fā)現(xiàn)電纜正好有8根電線（每個信號一根，但沒有一根用于返回信號電流）。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師解釋說，信號是指每個盒子的底盤接地的電壓。產(chǎn)品工程師沒有意識到的是，信號返回電流必須流經(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。這個相對高阻抗路徑導(dǎo)致兩個盒子的底盤處于不同的電位。此外，與信號電流路徑相關(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/建筑地面是一個可能的信號電流返回路徑，但它不是唯一的。在這種情況下，任何信號線中的電流也可以選擇通過其他信號線返回到源。例如，假設(shè)在這種情況下，邏輯“1”由信號線上的正5伏表示，邏輯“0”表示為0伏。然后在任何給定時間，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)生一個負(fù)電壓。

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

圖2：一個簡單的電流路徑演示。

考慮圖2所示的配置。一個變頻電源在同軸電纜的輸入端施加電壓。信號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。

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。然而，當(dāng)電流通過棒返回時，電流路徑的回路面積相對較大。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“GND”引腳都連接到一個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：由兩個元件組成的簡單印刷電路板。

圖4a說明了當(dāng)電流采用最小電感路徑時，微帶線下導(dǎo)電平面上的電流分布。請注意，大多數(shù)電流返回的頻帶寬度只有幾個跡線高度。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。

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，平面上的電流分布。電流密度基本上均勻分布在整個平面上，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，b.）當(dāng)電阻占主導(dǎo)地位時。

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。

對于圖6中所示的每個配置，標(biāo)識主回路電流路徑。

圖6：示例1的信號傳輸配置。

在上面的第一個配置中，返回電流只有一個可能的路徑。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)其相對電阻在兩個導(dǎo)體之間分布。

對于帶狀電纜配置，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。

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