電磁兼容EMC的重要概念理解

　　理解電磁兼容EMC的兩個重要概念：

　?。?）所有電流在環路中流動;

　?。?）高頻信號在傳輸線中作為電磁波傳播，并且場能量穿過電介質。

　　這兩個概念是相關的，因為它們是交織在一起的，數字信號產生傳播場，其引起對流電流在銅跡線/平面中流動，這兩個概念密切相關并相互耦合。我們電路設計人員錯過的問題是將返回路徑定義為源。如果你考慮一下，我們甚至不會在原理圖上繪制這些返回路徑 - 只是將它顯示為一系列不同的“地面”符號。

　　什么是“高頻率”？

　　頻率高于50到100 kHz的任何東西，對于小于此的頻率，返回電流將傾向于沿著短路徑返回到源（阻力小的路徑）。對于高于此值的頻率，返回電流趨向于直接跟隨信號走線并返回到源（阻抗小的路徑）。

　　當某些電路板設計出現問題時，高dV / dt返回信號，例如低頻DCDC開關模式轉換器或高di / dt返回信號，會產生I / O電路返回電流或敏感的模擬返回電流。我們將在下一篇文章中討論PC板設計。請注意設計定義的信號和電源返回路徑的重要性。這就是為什么在高頻信號下使用固態返回平面，然后在電路板上隔離數字，電源和模擬電路（保持它們分離）非常重要的原因。

　　信號如何移動

　　在大于DC的頻率下，數字信號開始作為傳輸線中的電磁波傳播，如圖1所示，高頻信號沿著微帶傳輸線（例如，返回平面上的電路跡線）傳播，并且波前在銅跡線中引起傳導電流并沿返回平面返回。當然，這種傳導電流不能流過PC板電介質，但是波前的電荷在返回平面上排斥相同的電荷，“看起來”好像電流正在流動。這與電容器的原理相同，Maxwell稱這種效應為“位移電流”。

　　信號的波前沿光速的某一部分傳播，由材料的介電常數決定，而傳導電流則由以約1厘米/秒的速度移動的高密度自由電子組成。近光速傳播的實際物理機制是由于電場中的“扭結”，其沿著銅分子傳播。

　　圖1 - 沿微帶傳播的數字信號，顯示電流。

　　重要的是，傳導和位移電流的這種組合必須具有回到源的不間斷路徑。如果它以任何方式中斷，傳播的電磁波將在PC板介電層內部“泄漏”并導致電磁耦合和“共?！彪娏餍纬?，然后耦合到其他信號（交叉耦合）或者“天線狀結構”，例如I / O電纜或屏蔽外殼中的插槽/孔。

　　我們大多數人都被教導了“電路理論”的觀點，當我們想象返回電流如何回流到源時，這一點很重要。信號的能量不僅是電流，而是電磁波前沿電介質移動，或者是“場論”的觀點。牢記這兩個概念只會強調設計傳輸線（具有直接相鄰的返回路徑的電源和信號走線）的重要性，而不僅僅是簡單的電路走線路由。

　　值得注意的是，所有配電網絡（PDN）和高頻信號走線都是傳輸線，并且能量在普通FR4型電路板電介質中以大約一半光速的電磁波傳輸。我們將展示當下一篇文章中的返回路徑或返回平面被間隙中斷時會發生什么。

　　參考圖2，差模電流（藍色）是數字信號本身（在這種情況下，以帶狀電纜示出）。如上所述，當信號波前沿著由微帶和返回平面形成的傳輸線移動時，傳導電流和相關的返回電流同時流動。

　　共模電流（紅色）稍微復雜一點，因為它可以以多種方式產生。在該圖中，由于IC的多個同時開關噪聲（SSN），返回平面的阻抗導致小的電壓降。這些電壓降引起共同的噪聲電流在整個返回（或參考）平面上流動，因此耦合到各種信號跡線中。

　　圖2 - 差模和共模電流的示例。

　　除了SSN之外，還可以通過返回平面中的間隙，端接不良的電纜屏蔽或不平衡的傳輸線幾何形狀來產生共模電流。問題是這些諧波電流往往會沿著屏蔽I / O或電源線的外部逸出并輻射。這些電流可以非常小，大約為μA。只需5到8μA的電流即可通過FCC B類測試限值。

　　摘要

　　總結符合EMI標準的產品設計，正確設計的PC板，帶有相鄰的所有信號和PDN返回平面，正確連接的I / O電纜屏蔽層，帶有小插槽或間隙的良好連接的屏蔽外殼，以及所有I / O上的共模濾波通常需要用于非屏蔽產品的電源電纜以獲得佳EMI性能。在設計早期關注這些因素可以大大降低EMC和EMI合規性故障的風險。