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EMC設(shè)計(jì)中比環(huán)路面積更重要的是什么?
發(fā)布時(shí)間:2019-10-09 來(lái)源:卓志達(dá)、邱曼 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】我們都知道信號(hào)線與回路的環(huán)路面積對(duì)電路EMC特性影響很大,理論上環(huán)路面積越大,信號(hào)的天線效應(yīng)越明顯,EMC特性也越差。其實(shí)除了環(huán)路面積,電路設(shè)計(jì)中另一指標(biāo)對(duì)EMC特性的影響還更大。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示給大家介紹。
試驗(yàn)示范
圖一 印制電路板配置
實(shí)驗(yàn)演示包括印刷電路板上的兩種配置:共面帶狀線和微帶線(圖一)。兩條線的長(zhǎng)度L= 100毫米。共面帶狀線:Ws(信號(hào)線寬) = Wg(地線寬) =0.5毫米。兩條走線之間的距離d = 0.5 mm。微帶線:Ws (信號(hào)線寬)= 0.5mm。微帶線下方的接地平面寬度為Wg= 26 mm。介質(zhì)高度為h = 1.5mm。銅厚度為35微米,F(xiàn)R4板材料的相對(duì)介電常數(shù)為εr = 4.7。圖二為演示demo板:
圖二 共面帶狀線和微帶線的測(cè)試樣板
圖三為實(shí)際測(cè)試布置。測(cè)試板上兩線路一端接SMA 50Ω負(fù)載。線路另一端的用1m長(zhǎng)的編織同軸電纜線連接到Rigol DSA815頻譜分析儀的信號(hào)輸出口。信號(hào)輸出口產(chǎn)生在30-100MHz的頻率范圍內(nèi)100dbuv(100mv)的信號(hào)。兩線路中差模電流Idm=100mV/50Ω=2mA。使用電流探頭檢測(cè)同軸線纜上的共模電流Icm。電流探頭連接到頻譜分析儀的輸入端,頻譜分析儀設(shè)置最大保持記錄共面帶狀線和微帶線上的共模能量。
圖三 共面帶狀線和微帶線共模電流測(cè)試布置
現(xiàn)在讓我們來(lái)看看高頻信號(hào)電流的環(huán)路面積。對(duì)于共面帶狀線,信號(hào)電流環(huán)路面積近似L×d = 100 mm×0.5 mm = 50 mm2。微帶線的信號(hào)回路面積是L×h = 100mm×1.5mm =150 mm2。在我們的實(shí)驗(yàn)演示中,微帶線比共面帶狀線的電流環(huán)路面積大3倍。在高頻(> MHz),信號(hào)回流會(huì)走路最低阻抗徑,也是最小電感的路徑,通常這條路徑也是最小環(huán)路面積的路徑。電流會(huì)盡可能靠近輸出電流的路徑返回。在微帶線的情況下,大部分返回電流直接在信號(hào)線下方的地平面回流。
測(cè)試結(jié)果和討論
測(cè)量結(jié)果如圖四。共面帶狀線比微帶線回流環(huán)路面積小三倍的情況下,在30mhz-300mhz的頻率范圍內(nèi),共面帶狀線比微帶線共模能量還要高,最多高20db。
圖四 測(cè)試結(jié)果
我們知道地線上共模電壓的多少取決于地線的分布電感:Vcm = Idm×2π×f×Lg??捎萌缦鹿浇频挠?jì)算地線的分布電感:
地線分布電感Lg(H)與h(m)成比例,并與Wg(m)成反比。
微帶線配置參數(shù)為(h=1.5mm,Wg=26mm),通過(guò)公式計(jì)算的: 微帶線的地線分布電感約為:Lg= 36nH / m。共面帶狀線配置(d = 0.5 mm,Wg = 0.5 mm),地線分布電感約為:Lg = 300nH / m,共面帶狀線的地線分布電感將近是微帶線的10倍。
總結(jié)
從實(shí)驗(yàn)中我們了解到,雖然微帶線的差模電流回路面積是共面帶狀線的3倍,但微帶線的共模能量在頻率范圍內(nèi)卻要低得多(20 dB)。造成這樣結(jié)果的主要原因是地線的分布電感。微帶線的接地平面具有比共面帶狀線接地走線低得多的分布電感,這樣導(dǎo)致微帶線地線上的電壓會(huì)更低,因此共模能量也會(huì)更小。
我們可以得出結(jié)論, EMC設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)是:
盡量最小化地線(信號(hào)回流)的分布電感。
在印刷電路板上如何實(shí)現(xiàn)?
1.縮短接地回路引線長(zhǎng)度。
2.信號(hào)線靠近接地平面。
3.增大接地線的寬度或直接使用接地平面。
參考文獻(xiàn): Marcel van Doorn《What is the Most Important EMC Design Guideline?》
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