分享PCB中產生電磁幹擾的原因及消除幹擾技巧
發布時間:2018-03-27 來源:電子設計 責任編輯:lina
【導讀】在PCB中,會產生EMI的原因很多,例如:射頻電流、共模準位、接地回路、阻抗不匹配、磁通量……等。為了掌握EMI,我們需要逐步理解這些原因和它們的影響。雖然,我們可以直接從電磁理論中,學到造成EMI現象的數學根據,但是,這是一條很辛苦、很漫長的道路。對一般工程師而言,簡單而清楚的描述更是重要。本文將探討,在PCB上「電的來源」、Maxwell方程式的應用、磁通量最小化的概念。
電的來源
與磁的來源相反,電的來源是以時變的電雙極(electric dipole)來建立模型。這表示有兩個分開的、極性相反的、時變的點電荷(point charges)互(hu)為(wei)相(xiang)鄰(lin)。雙(shuang)極(ji)的(de)兩(liang)端(duan)包(bao)含(han)著(zhe)電(dian)荷(he)的(de)變(bian)化(hua)。此(ci)電(dian)荷(he)的(de)變(bian)化(hua),是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)流(liu)在(zai)雙(shuang)極(ji)的(de)全(quan)部(bu)長(chang)度(du)內(nei),不(bu)斷(duan)地(di)流(liu)動(dong)而(er)造(zao)成(cheng)的(de)。利(li)用(yong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)輸(shu)出(chu)訊(xun)號(hao)去(qu)驅(qu)動(dong)一(yi)個(ge)沒(mei)有(you)終(zhong)端(duan)的(de)(unterminated)天線,此種電路是可以用來代表電的來源。但是,此電路無法套用低頻的電路原理來做解釋。不考慮此電路中的訊號之有限傳播速度(這是依據非磁性材料的介電常數而定),反正射頻電流會在此電路產生。這是因為傳播速度是有限的,不是無限的。此假設是:導線在所有點上,都包含相同的電壓,並且此電路在任何一點上,瞬間都是均衡的。這種電的來源所產生的電磁場,是四個變量的函數:
1. 回路中的電流振幅:電磁場和在雙極中流動的電流量成正比。
2. 雙極的極性和測量裝置的關係:與磁來源一樣,雙極的極性必須和測量裝置的天線之極性相同。
3. 雙極的大小:電(dian)磁(ci)場(chang)和(he)電(dian)流(liu)組(zu)件(jian)的(de)長(chang)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi),不(bu)過(guo),其(qi)走(zou)線(xian)長(chang)度(du)必(bi)須(xu)隻(zhi)有(you)波(bo)長(chang)的(de)部(bu)份(fen)大(da)。雙(shuang)極(ji)越(yue)大(da),在(zai)天(tian)線(xian)端(duan)所(suo)測(ce)量(liang)到(dao)的(de)頻(pin)率(lv)就(jiu)越(yue)低(di)。對(dui)特(te)定(ding)的(de)大(da)小(xiao)而(er)言(yan),此(ci)天(tian)線(xian)會(hui)在(zai)特(te)定(ding)的(de)頻(pin)率(lv)下(xia)共(gong)振(zhen)。
4. 距離:電場和磁場彼此相關。兩者的強度和距離成正比。在遠場(far field),其行為和回路源(磁的來源)類似,會出現一個電磁平麵波。當靠近「點源(point source)」時,電場和磁場與距離的相依性增加。
近場(near field)(磁和電的成份)和遠場的關係,如附圖一所示。所有的波都是磁場和電場成份的組合。這種組合稱作「PoynTIng向量」。shijishang,shimeiyouyigedandudedianbohuocibocunzaide。womenzhisuoyinenggouceliangdaopingmianbo,shiyinweiduiyigexiaotianxianeryan,zaijulilaiyuanduanshugebochangdedifang,qiboqian(wavefront)看起來像平麵一樣。

圖一:波阻抗和距離的關係
這種外貌是由天線所觀測到的物理「輪廓」;這就好像從河邊向河中打水漂一樣,我們所看到的水波是一波波的漣漪。場傳播是從場的點源,以光速的速度向外輻射出去;其中,。電場成份的測量單位是V/m,磁場成份的測量單位是A/m。電場(E)和磁場(H)的比率是自由空間(free space)的阻抗。這裏必須強調的是,在平麵波中,波阻抗Z0,或稱作自由空間的特性阻抗,是和距離無關,也和點源的特性無關。對一個在自由空間中的平麵波而言:
波前所承載的能量單位是watts/m2。
就Maxwell方程式的大多數應用而言,噪聲耦合方法可以代表等效組件的模型。例如:在兩個導體之間的一個時變電場,可以代表一個電容。在相同的兩導體之間,一個時變磁場可以代表互感(mutual inductance)。附圖二表示這兩種噪聲耦合機製。

圖二:噪聲耦合機製
平麵波的形狀
若要使此噪聲耦合方法正確,電路的實際大小必須比訊號的波長小。若此模型不是真正正確時,仍然可以使用集總組件(lumped component)來說明EMC,原因如下:
1. Maxwell方fang程cheng式shi不bu能neng直zhi接jie應ying用yong在zai大da多duo數shu的de真zhen實shi情qing況kuang中zhong,這zhe是shi因yin為wei複fu雜za的de邊bian界jie條tiao件jian所suo造zao成cheng的de。如ru果guo我wo們men對dui集ji總zong模mo型xing的de近jin似si正zheng確que度du沒mei有you信xin心xin,則ze此ci模mo型xing是shi不bu正zheng確que的de。不bu過guo,大da多duo數shu的de集ji總zong組zu件jian(或稱作離散組件)是可靠的。
2. 數值模型不會顯示噪聲是如何根據係統參數產生的。縱使有一個模型可能是答案,但與係統相關的參數是不會被預知、辨識,和顯現的。在所有可用的模型當中,集總組件所建立的模型算是最好的。
為什麼這個理論和對Maxwell方程式的討論,對PCB設計和布線(layout)很重要?答案很簡單。我們必須先知道電磁場是如何產生的,之後我們就能夠降低在PCB中,由射頻產生的電磁場。這與降低電路中的射頻電流有關。此射頻電流直接和訊號分布網絡、旁pang路lu和he耦ou合he相xiang關guan。射she頻pin電dian流liu最zui後hou會hui形xing成cheng頻pin率lv的de諧xie波bo和he其qi它ta數shu字zi訊xun號hao。訊xun號hao分fen布bu網wang絡luo必bi須xu盡jin量liang的de小xiao,如ru此ci才cai能neng將jiang射she頻pin回hui傳chuan電dian流liu的de回hui路lu區qu域yu盡jin量liang縮suo小xiao。旁pang路lu和he耦ou合he與yu最zui大da電dian流liu相xiang關guan,而er且qie必bi須xu透tou過guo電dian源yuan分fen散san網wang絡luo來lai產chan生sheng大da電dian流liu;而電源分散網絡,在定義上,它的射頻回傳電流之回路區域是很大的。

圖三:噪聲耦合方法
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