电磁兼容EMC的重要概念理解

　　理解电磁兼容EMC的两个重要概念：

　　（1）所有电流在环路中流动;

　　（2）高频信号在传输线中作为电磁波传播，并且场能量穿过电介质。

　　这两个概念是相关的，因为它们是交织在一起的，数字信号产生传播场，其引起对流电流在铜迹线/平面中流动，这两个概念密切相关并相互耦合。我们电路设计人员错过的问题是将返回路径定义为源。如果你考虑一下，我们甚至不会在原理图上绘制这些返回路径 - 只是将它显示为一系列不同的“地面”符号。

　　什么是“高频率”？

　　频率高于50到100 kHz的任何东西，对于小于此的频率，返回电流将倾向于沿着短路径返回到源（阻力小的路径）。对于高于此值的频率，返回电流趋向于直接跟随信号走线并返回到源（阻抗小的路径）。

　　当某些电路板设计出现问题时，高dV / dt返回信号，例如低频DCDC开关模式转换器或高di / dt返回信号，会产生I / O电路返回电流或敏感的模拟返回电流。我们将在下一篇文章中讨论PC板设计。请注意设计定义的信号和电源返回路径的重要性。这就是为什么在高频信号下使用固态返回平面，然后在电路板上隔离数字，电源和模拟电路（保持它们分离）非常重要的原因。

　　信号如何移动

　　在大于DC的频率下，数字信号开始作为传输线中的电磁波传播，如图1所示，高频信号沿着微带传输线（例如，返回平面上的电路迹线）传播，并且波前在铜迹线中引起传导电流并沿返回平面返回。当然，这种传导电流不能流过PC板电介质，但是波前的电荷在返回平面上排斥相同的电荷，“看起来”好像电流正在流动。这与电容器的原理相同，Maxwell称这种效应为“位移电流”。

　　信号的波前沿光速的某一部分传播，由材料的介电常数决定，而传导电流则由以约1厘米/秒的速度移动的高密度自由电子组成。近光速传播的实际物理机制是由于电场中的“扭结”，其沿着铜分子传播。

　　

　　图1 - 沿微带传播的数字信号，显示电流。

　　重要的是，传导和位移电流的这种组合必须具有回到源的不间断路径。如果它以任何方式中断，传播的电磁波将在PC板介电层内部“泄漏”并导致电磁耦合和“共模”电流形成，然后耦合到其他信号（交叉耦合）或者“天线状结构”，例如I / O电缆或屏蔽外壳中的插槽/孔。

　　我们大多数人都被教导了“电路理论”的观点，当我们想象返回电流如何回流到源时，这一点很重要。信号的能量不仅是电流，而是电磁波前沿电介质移动，或者是“场论”的观点。牢记这两个概念只会强调设计传输线（具有直接相邻的返回路径的电源和信号走线）的重要性，而不仅仅是简单的电路走线路由。

　　值得注意的是，所有配电网络（PDN）和高频信号走线都是传输线，并且能量在普通FR4型电路板电介质中以大约一半光速的电磁波传输。我们将展示当下一篇文章中的返回路径或返回平面被间隙中断时会发生什么。

　　参考图2，差模电流（蓝色）是数字信号本身（在这种情况下，以带状电缆示出）。如上所述，当信号波前沿着由微带和返回平面形成的传输线移动时，传导电流和相关的返回电流同时流动。

　　共模电流（红色）稍微复杂一点，因为它可以以多种方式产生。在该图中，由于IC的多个同时开关噪声（SSN），返回平面的阻抗导致小的电压降。这些电压降引起共同的噪声电流在整个返回（或参考）平面上流动，因此耦合到各种信号迹线中。

　　

　　图2 - 差模和共模电流的示例。

　　除了SSN之外，还可以通过返回平面中的间隙，端接不良的电缆屏蔽或不平衡的传输线几何形状来产生共模电流。问题是这些谐波电流往往会沿着屏蔽I / O或电源线的外部逸出并辐射。这些电流可以非常小，大约为μA。只需5到8μA的电流即可通过FCC B类测试限值。

　　摘要

　　总结符合EMI标准的产品设计，正确设计的PC板，带有相邻的所有信号和PDN返回平面，正确连接的I / O电缆屏蔽层，带有小插槽或间隙的良好连接的屏蔽外壳，以及所有I / O上的共模滤波通常需要用于非屏蔽产品的电源电缆以获得佳EMI性能。在设计早期关注这些因素可以大大降低EMC和EMI合规性故障的风险。