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PCB的輻射

發(fā)布時間:2010-05-14

中心議題:
  • PCB的電磁兼容設(shè)計
解決方案:
  • 使用低功耗的芯片
  • 使用低速芯片降低電路的頻率
  • 利用緩沖器減小差模電流
除了保證一個可靠的工作電路,PCB的電磁兼容設(shè)計的主要目的就是減小線路板的電磁輻射,保證設(shè)備滿足相關(guān)標準。由于一個電路的電磁輻射效率高,其接收效率也高。因此,在設(shè)計中抑制線路板的電磁輻射,也相應(yīng)地提高了線路板的抗干擾能力。

線路板的輻射主要產(chǎn)生于PCB走線和“I/O”電纜。前面介紹了共模和差模電流,從這兩種電流的模式出發(fā),可把輻射分為差模輻射和共模輻射兩種。
  
•差模輻射:電路工作電流在信號環(huán)路中流動會產(chǎn)生電磁輻射。而流動的電流是差模,因此產(chǎn)生的輻射稱為差模輻射;
  
•共模輻射:當傳輸信號的導體的電位與鄰近導體的電位不同時,相互之間就會產(chǎn)生電流。即使沒有任何導體連接,高頻電流也會通過寄生電容流動。這種電流稱為共模電流,其產(chǎn)生的輻射稱為共模輻射。
  
電纜的輻射主要以共模輻射為主。用電流環(huán)路模型來分析差模輻射,可分別得出近場區(qū)域和遠場區(qū)域的輻射電磁場。

式中,I為環(huán)路電流;A為環(huán)路面積;D為觀測點到環(huán)路的距離;Zo為自由空間的阻抗;λ為電流頻率所對應(yīng)的波長。
  
同理分析共模輻射,分別得出近場區(qū)域和遠場區(qū)域的輻射電磁場。


式中,I為環(huán)路電流;L為導線長度;D為觀測點到環(huán)路的距離;Zo為自由空間的阻抗;λ為電流頻率所對應(yīng)的波長。
  
公式中的電流為共模電流。與前面差模電流不同的是,共模電流的實際值很難預先估算出來。
  
以上介紹的輻射并不完全符合實際應(yīng)用電路的情況,因為公式的推導都假設(shè)在單根導線模型中,電路阻抗在近場為無限大,并且在電流環(huán)路模型中,電路是短路的。在實際電路中,電路不是理想的環(huán)路,也不是完全開路的導線。因此,利用理想模型進行輻射估計,會在近場出現(xiàn)較大的誤差。為了修正實際與理想模型所帶來的誤差,下面分別給出近場和遠場的修正導線計算模型:



式中,V為源的電壓;A為環(huán)路面積;f為電流的頻率;D為觀測點到電路的距離。

同時,遠場的輻射與電路的阻抗無關(guān)。各種數(shù)量關(guān)系如圖所示。


圖實際輻射電路簡化圖
  
另外,在電磁兼容標準中,通常使用電場強度來表征輻射的強度。實際中只要對電場強度作出規(guī)范的限制,即可使電路達到電磁兼容的標準。這里,最常用的公式是差模輻射預測公式,用于預測電路的差模輻射是否會導致輻射超過電磁兼容標準。
  
E=2.6IAf2/D(μV/m)(2-16)
  
由上面的公式可知,直接得出減小差模輻射就是控制差模電流I、頻率f或環(huán)路面積A。使用低功耗的芯片,利用緩沖器都可以減小差模電流I;使用低速芯片,降低電路的頻率可以減小f.但這兩種方法在實踐中都有一定的局限性。剩下的而且是最現(xiàn)實的手段就是控制信號的環(huán)路面積。這要求設(shè)計者在選用芯片時盡量選用大規(guī)模集成電路,采用表面安裝工藝制造的芯片,不使用安裝座等;另一方面,在線路板布線時,盡量控制信號回路的面積。
  
最常用共模輻射預測公式為
  E=1.26ILf/D(2-17)
  
同理可知,只要控制以上公式的3個參量,即可達到減小共模輻射的標準。可以采用共模扼流圈,在共模電壓一定的情況下,增加共模電流流動路徑的阻抗;或在滿足使用要求的前提下,盡量縮短電纜。

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