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环路面积对电路EMC特性的影响分析

发布时间:2020-09-08 发布时间:
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我们都知道信号线与回路的环路面积对电路EMC特性影响很大,理论上环路面积越大,信号的天线效应越明显,EMC特性也越差。其实除了环路面积,电路设计中另一指标对EMC特性的影响还更大。下面通过实验演示给大家介绍。

试验示范

图一 印制电路板配置

实验演示包括印刷电路板上的两种配置:共面带状线和微带线(图一)。两条线的长度L= 100毫米。共面带状线:Ws(信号线宽) = Wg(地线宽) =0.5毫米。两条走线之间的距离d = 0.5 mm。微带线:Ws (信号线宽)= 0.5mm。微带线下方的接地平面宽度为Wg= 26 mm。介质高度为h = 1.5mm。铜厚度为35微米,FR4板材料的相对介电常数为εr = 4.7。图二为演示demo板:

图二 共面带状线和微带线的测试样板

图三为实际测试布置。测试板上两线路一端接SMA 50Ω负载。线路另一端的用1m长的编织同轴电缆线连接到Rigol DSA815频谱分析仪的信号输出口。信号输出口产生在30-100MHz的频率范围内100dbuv(100mv)的信号。两线路中差模电流Idm=100mV/50Ω=2mA。使用电流探头检测同轴线缆上的共模电流Icm。电流探头连接到频谱分析仪的输入端,频谱分析仪设置最大保持记录共面带状线和微带线上的共模能量。

图三 共面带状线和微带线共模电流测试布置

现在让我们来看看高频信号电流的环路面积。对于共面带状线,信号电流环路面积近似L×d = 100 mm×0.5 mm = 50 mm2。微带线的信号回路面积是L×h = 100mm×1.5mm =150 mm2。在我们的实验演示中,微带线比共面带状线的电流环路面积大3倍。在高频(》 MHz),信号回流会走路最低阻抗径,也是最小电感的路径,通常这条路径也是最小环路面积的路径。电流会尽可能靠近输出电流的路径返回。在微带线的情况下,大部分返回电流直接在信号线下方的地平面回流。

测试结果和讨论

测量结果如图四。共面带状线比微带线回流环路面积小三倍的情况下,在30mhz-300mhz的频率范围内,共面带状线比微带线共模能量还要高,最多高20db。

图四 测试结果

我们知道地线上共模电压的多少取决于地线的分布电感:Vcm = Idm×2π×f×Lg。可用如下公式近似的计算地线的分布电感:

地线分布电感Lg(H)与h(m)成比例,并与Wg(m)成反比。

微带线配置参数为(h=1.5mm,Wg=26mm),通过公式计算的: 微带线的地线分布电感约为:Lg= 36nH / m。共面带状线配置(d = 0.5 mm,Wg = 0.5 mm),地线分布电感约为:Lg = 300nH / m,共面带状线的地线分布电感将近是微带线的10倍。

总结

从实验中我们了解到,虽然微带线的差模电流回路面积是共面带状线的3倍,但微带线的共模能量在频率范围内却要低得多(20 dB)。造成这样结果的主要原因是地线的分布电感。微带线的接地平面具有比共面带状线接地走线低得多的分布电感,这样导致微带线地线上的电压会更低,因此共模能量也会更小。

我们可以得出结论, EMC设计中的一个重点是:

尽量最小化地线(信号回流)的分布电感。

在印刷电路板上如何实现?

1.缩短接地回路引线长度。

2.信号线靠近接地平面。

3.增大接地线的宽度或直接使用接地平面。


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