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电磁兼容设计基本原则:我们的产品正在帮助我们(下)

   2013-03-22 电磁干扰与兼容4470

当电子工程师谈到SI 和PI 时,通常将无意天线行为称为串扰,他们注意到减少来自串扰“干扰源”噪音耦合的方法也有助于减少串扰“受害者”的噪音接收——互易定理的另一例子。


图7 一个金属薄片板底盘做回路的实例

图8 平面上导线内回流路径计算机仿真

计算机场强求解器非常清晰地展现了这种现象。图7 和8 摘自[11],它们表明当承载电流的弯线接近包含其回流路径的金属地板时,频率约1kHz 以上的回流几乎只在导线内的金属丝里流动,并沿着导线的弯曲路径。

这是因为回路在弯曲导线内的金属片里,这也使得整个结构的阻抗在电流回路区域里尽可能小, 即使回路电流不得不沿着弯道流动。

文献[11] 的作者用图8 中的红色虚线帮助读者了解平均电流回路路径的位置,因为电磁场求解器只提供颜色梯度。
       注意到超过1kHz 时,虽然回路电流沿金属片的一部分流动,但金属片剩余部分是“安静的”——也就是说它内部没有电流流动也没有电压跌落。

电路用这些电流回流路径的安静部分(比如零伏平面)就不会从弯线电流中耦合到任何电压噪声。(处于100Hz 时和低于薄片阻抗时,由扩散的回流在其他回路中产生的噪声电压一般忽略不计)。

我们有很多不同的电路隔离区域(比如数字,模拟,转换模式等)共用相同的零伏平面(在下文8 中称为射频参照面),这些区域相互间没有引起串扰或干扰的“地噪声”电流。如何运用该理论创造出低成本的SI,PI 和EMC,详情见[7] 中的第7 章和[12] 全文。

我曾经多次见过对图7 中的地板走线结构或地平面上的PCB 走线(比如[13] 中幻灯片46-50)进行的仿真,也有用近场探头来做实际测试。所得结果都一样,即使到了人们关心的数GHz 以上的频率。

7.5导体内的能量和信号有两种波传播模式差模,DM(也称为横向模式或者金属模式)就是之前所说的我们“想要的”能量和信号。

如图5、6 所示,当一个DM 回路的近区电场和磁场遇到另一导体时,杂散的、泄漏的、“不想要的”电磁能量就会造成共模(即“纵向模式”或“天线模式”)。



图9 对于一个浮动负载,DM(想要的)信号产生CM噪声的例子

当远场电磁波从设定电路的需要信号耦合能量到另一个图9 对于一个浮动负载,DM(想要的)信号产生CM噪声的例子

图10 共模磁场耦合的例子

电路时(意外无线电传输和接收),共模也会发生。图9 展示了一个简化系统中DM和CM的相对路径。
上述7.1 说明并不是所有电流都在导线内!

有些电流是以杂散CM 电流的形式流动,它也跟所有电流一样必须沿闭合回路流动。

因为CM 回路一般比DM 回路大很多,所以它们的电场和磁场波形传播的更远。CM通常是引起“无意天线”效应的主要原因,它造成了从1MHz 到1GHz 频段的发射和抗扰度问题。

图10 表明了CM 电流也会通过磁场耦合与“受害”电路耦合,这与DM 电流耦合相似(见图6)。
减小CM 回路的大小会减少它与被扰回路间的磁场耦合,图6 同样减少了DM 回路的大小以减小其与被扰回路间的耦合。减少CM 电流回路的大小同样会减少它与被扰回路间的电场耦合,这对于图5 所示DM 电场同样适用。

所以,与减小所需(DM)电流回路面积从而实现良好SI,PI 和EMC 设计类似,所有多余的,意外的,CM 电流回路也很重要。详情请见[6] 中的5.5,[7] 中的2.7.5 或者[10] 中的10.1.5

7.6谐振导体会产生完美的无意天线导体结构在某个频率产生谐振的原因有多种。
        a) 当L 和C 电抗相等时
        b) 尺寸与波长相互制约
       第二项主要涉及传输线匹配。特性阻抗不匹配的导体会引起反射波,在某种条件或某个频率会出现驻波,这是谐振的一种。
       处于谐振频率时,回路阻抗在导体的串联电阻(可能只有几mΩ)和并联电阻(可能几MΩ)之间大幅波动。

无意天线效应(无论近场还是远场的杂散耦合)被谐振显著放大,通常在10 到100 倍之间(20 到40dB),也有可能更大,由互易定理知发射和抗扰度均会受到影响。

7.7对于SI,PI和EMC没有“大地”或“地”之说电流总是沿着闭合回路流动。所以这个观点,即我们可以用接地电极提供的零阻抗槽来吸收或去除不想要的电能,信号或噪音,是不现实的——完全是虚构的,并且是没有事实依据的[13]。详情见讲义32,,33 和79.

 
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