PCB中产生电磁干扰的原因及消除干扰技巧

2017-12-06 17:33:01 来源:电子发烧友
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PCB中,会产生EMI的原因很多,例如:射频电流、共模准位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。为了掌握EMI,我们需要逐步理解这些原因和它们的影响。虽然,我们可以直接从电磁理论中,学到造成EMI现象的数学根据,但是,这是一条很辛苦、很漫长的道路。对一般工程师而言,简单而清楚的描述更是重要。本文将探讨,在PCB上「电的来源」、Maxwell方程式的应用、磁通量最小化的概念。

 
电的来源
与磁的来源相反,电的来源是以时变的电双极(electric dipole)来建立模型。这表示有两个分开的、极性相反的、时变的点电荷(point charges)互为相邻。双极的两端包含着电荷的变化。此电荷的变化,是因为电流在双极的全部长度内,不断地流动而造成的。利用振荡器输出讯号去驱动一个没有终端的(unterminated)天线,此种电路是可以用来代表电的来源。但是,此电路无法套用低频的电路原理来做解释。不考虑此电路中的讯号之有限传播速度(这是依据非磁性材料的介电常数而定),反正射频电流会在此电路产生。这是因为传播速度是有限的,不是无限的。此假设是:导线在所有点上,都包含相同的电压,并且此电路在任何一点上,瞬间都是均衡的。这种电的来源所产生的电磁场,是四个变量的函数:
 
1. 回路中的电流振幅:电磁场和在双极中流动的电流量成正比。
2. 双极的极性和测量装置的关系:与磁来源一样,双极的极性必须和测量装置的天线之极性相同。
3. 双极的大小:电磁场和电流组件的长度成正比,不过,其走线长度必须只有波长的部份大。双极越大,在天线端所测量到的频率就越低。对特定的大小而言,此天线会在特定的频率下共振。
4. 距离:电场和磁场彼此相关。两者的强度和距离成正比。在远场(far field),其行为和回路源(磁的来源)类似,会出现一个电磁平面波。当靠近「点源(point source)」时,电场和磁场与距离的相依性增加。
 
近场(near field)(磁和电的成份)和远场的关系,如附图一所示。所有的波都是磁场和电场成份的组合。这种组合称作「PoynTIng向量」。实际上,是没有一个单独的电波或磁波存在的。我们之所以能够测量到平面波,是因为对一个小天线而言,在距离来源端数个波长的地方,其波前(wavefront)看起来像平面一样。
 
图一:波阻抗和距离的关系
 
这种外貌是由天线所观测到的物理「轮廓」;这就好像从河边向河中打水漂一样,我们所看到的水波是一波波的涟漪。场传播是从场的点源,以光速的速度向外辐射出去;其中,。电场成份的测量单位是V/m,磁场成份的测量单位是A/m。电场(E)和磁场(H)的比率是自由空间(free space)的阻抗。这里必须强调的是,在平面波中,波阻抗Z0,或称作自由空间的特性阻抗,是和距离无关,也和点源的特性无关。对一个在自由空间中的平面波而言:
 
 
波前所承载的能量单位是watts/m2。
 
就Maxwell方程式的大多数应用而言,噪声耦合方法可以代表等效组件的模型。例如:在两个导体之间的一个时变电场,可以代表一个电容。在相同的两导体之间,一个时变磁场可以代表互感(mutual inductance)。附图二表示这两种噪声耦合机制。
 
图二:噪声耦合机制
 
平面波的形状
若要使此噪声耦合方法正确,电路的实际大小必须比讯号的波长小。若此模型不是真正正确时,仍然可以使用集总组件(lumped component)来说明EMC,原因如下:
 
1. Maxwell方程式不能直接应用在大多数的真实情况中,这是因为复杂的边界条件所造成的。如果我们对集总模型的近似正确度没有信心,则此模型是不正确的。不过,大多数的集总组件(或称作离散组件)是可靠的。
2. 数值模型不会显示噪声是如何根据系统参数产生的。纵使有一个模型可能是答案,但与系统相关的参数是不会被预知、辨识,和显现的。在所有可用的模型当中,集总组件所建立的模型算是最好的。
 
为什么这个理论和对Maxwell方程式的讨论,对PCB设计和布线(layout)很重要?答案很简单。我们必须先知道电磁场是如何产生的,之后我们就能够降低在PCB中,由射频产生的电磁场。这与降低电路中的射频电流有关。此射频电流直接和讯号分布网络、旁路和耦合相关。射频电流最后会形成频率的谐波和其它数字讯号。讯号分布网络必须尽量的小,如此才能将射频回传电流的回路区域尽量缩小。旁路和耦合与最大电流相关,而且必须透过电源分散网络来产生大电流;而电源分散网络,在定义上,它的射频回传电流之回路区域是很大的。
 
图三:噪声耦合方法
 
 
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