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我们接着讲第21讲

线路板的电磁辐射以及抑制

我们来看一个电路板

上面有一些导线构成了杆天线

会产生共模辐射

而一些环路构成了电流环

会产生差模辐射

对于一个电流环

它会产生近场 远场的电磁场

它的波阻抗是随着距离增加而增加的

而对于一个鞭状的天线和杆状天线

它的波阻抗是随着距离增加而减小的

二者最后交汇于平面电磁波的波阻抗处诉

对于一个实际的回路

回路的阻抗

包括了原阻抗和负载阻抗

在近场区

当回路阻抗大于等于7.9Df时

D是敏感设备的距离

它的电场就等于7.96VA/D³

当Zc小于等于7.9Df时

它对应的电场是63IAf/D³

而电场的磁场是7.96IA/D³

而对于远场来说

它的电场是1.3IAf²/D

也就是说在远场

它是与频率的平方成正比的

我们测量电子辐射时都存在地面的反射

因此要考虑这个因素

根据电磁兼容分析中考虑最坏的情况

往往将场强乘以2

这样考虑地面反射之后

远处的场强就等于2.6IAf²/D

PCB板的辐射强度是由什么决定的呢

这是一个电路板

所有电路都加电工作时

产生的电子场随频率变化的一个曲线

右边是只有时钟电路加电工作时

对应的电场的频率特性

可以看出

这两个曲线的包络线基本都是一致的

因此在这两种情况下

产生的最大的辐射强度都基本相同

由此我们可以看出

线路板上的周期信号是产生辐射最强的信号

也就是说线路板上的时钟信号

一般来说就产生了最强的辐射强度

我们如何确定脉冲信号的差模辐射的频谱

刚才前面我们说了

差模辐射是随频率的平方成正比的

差模辐射它的频谱特性就是40dB/dec增加

我们知道脉冲信号的频谱包络线

这样将二者相加

我们就可以得到脉冲信号的差模辐射的频谱

首先是以40dB/dec增加

接着转入下一段是20dB/dec

然后达到一个最大值

最大值对应的频率是1/πtr

tr是它的上升沿时间

那么如何减小差模辐射呢

我们根据差模辐射强度的公式

2.6IAf²/D

我们就可以来推断出它的一些防护的措施

首先我们可以把电流分散布置

来减小电流的作用

而实际电流不按实际路径流动

而会选择阻抗最小的路径

因此最重要的一点

是要知道差模电流的实际路径

从而确定差模电流的环路的面积

因此这个A面积可以通过布线来解决和调整

对于频率来说

我们可以尽量使用低速芯片

延长它的上升沿时间

另外也可以通过滤波来滤除

1/tr频段以上的频率

也就是采用低通滤波器来滤除高频部分的信号

这个表给出了不同逻辑电路

满足电磁干扰指标允许的环路的面积

如果N个环路中电流频率相同

则辐射时有叠加效应

要乘以根号N

而各个环路中电流的频率不同则没有叠加效应

这样的话

我们可以采用分散时钟频率

来解决它的叠加效应的问题

电路设计中尽量避免使用同一时钟

来获得不同同步的信号

我们来做个实验

看看电流的回路在哪里

一个同轴电缆左边压上电源

右边加上负载

然后在同轴电缆的首端和末端的屏蔽层

用一根导线把它连接起来

这样我们来监测

通过这个连接线上的电流

当频率低于1kHz时

电流几乎全部走铜线

但频率高于10kHz时

几乎全部电流通过同轴电缆外屏蔽层

在1kHz和10kHz之间

两个路径都有

造成这个现象的原因

是高频电流总是走电感最小路径

也就是说回路面积最小的路径

这个图给出了如何减少环路面积的布线方式

对于单层板它的回线靠近它布置

而对于双层板

回线在它的下层布置

另外我们还要注意一些隐蔽的辐射环路

当一个板上连接了很多外设之后

它们中间的地线就可能构成了环路

因此这是我们必须要注意的一个非常重要的问题

另外由于一些不良的布线也会引入电流的环路

像这个电路板上的两处连接都导致了环路

从而产生了辐射问题

设备的外拖电缆会产生共模辐射

这样机箱内的所有的信号

都会通过电缆辐射到外面去

我们来看一下外拖电缆

它的共模辐射和差模辐射的比值有多大

达到了37

也就是说共模电流辐射强度

比差模辐射要高37分贝

对于外拖电缆的共模辐射问题

我们不要试图通过

将电路与大地断开来减小共模辐射

将电路与大地断开

只能在低频减小共模辐射

而在低频时

辐射并不是它的主要的问题

高频时寄生电容形成的通路阻抗很小

实际上构成了回路

实际电量上的共模电流

不仅由电缆中传输的差模信号产生

还会有机箱内电路产生的差模辐射感应

到电缆上来形成

对于一个悬浮电缆

我们可以得到它的进场区和远场区

它对应的辐射的强度

如果考虑地面的反射之后

它的强度为1.26ILf/D

当长度大于λ/2或λ/4时

它产生的电场是等于120I/D

如果一端设备接地或金属外壳靠近地面

电缆就等效于一根单极天线

辐射特性相当于两倍长度的偶极天线

式中L要用2L代入

当长度超过λ/2时

单极天线超过λ/4时

电缆上的电流是不均匀的

不同部分的电流产生的辐射

就会有抵消的效应

考虑到最坏的情况

可以用λ/2来代替L

这个图给出了如何来测量共模电流

我们可以用一个电流卡钳卡在连接线上

来测量它的传输特性

我们用频谱分析仪可以得到

连接线上的干扰电压

根据电流卡钳的

传输阻抗是等于V除以I的

而电流卡钳的传输阻抗是已知的

这样的话我们就可以得到

流过这个连接线上的共模电流

那怎么来减小共模辐射呢

根据共模辐射产生的电场的计算公式

1.26ILf/D

对于I来说我们可以采用

共模滤波 共模扼流圈来减小共模电流

对于长度来说

可以使用尽量短的电缆

而频率可以采用共模滤波来去掉它的高频分量

以上就是这一讲的内容

谢谢各位同学