【導讀】許多資深工程師,常常走著基礎而又錯誤的設計之路。這就是電磁兼容性(EMC)設計的高頻思維。對電子工程師來說,把電子器件都當成一個高頻等效的組合電路才可設計出完美的EMC。
電磁兼容性(EMC)的問題常發(fā)生于高頻狀態(tài)下,個別問題(電壓跌落與瞬時中斷等)除外。高頻思維,就是器件的特性、電路的特性,在高頻情況下和常規(guī)中低頻狀態(tài)下是不一樣的,如果仍然按照普通的控制思維來判斷分析,則會走入設計的誤區(qū)。比如:電容,在中低頻或直流情況下,就是一個儲能組件,只表現(xiàn)為一個電容的特性;在高頻情況下,它就不僅僅是個電容了,它有一個理想電容的特性,有漏電流(在高頻等效電路上表現(xiàn)為R),有引線電感,還在導致電壓脈沖波動情況下發(fā)熱的ESR(等效串聯(lián)電阻),(如下圖示)。
圖一:電磁兼容性(EMC)_電容的高頻等效電路圖
從上圖看出,設計師在電磁兼容性(EMC)設計時能起到很大的幫助。
按照常規(guī)思路,1/2πfc是電容的容抗,應該是頻率越高,容抗越小,濾波效果越好,即越高頻的雜波越容易被泄放掉,但事實并非如此,因為引線電感的存在,一支電容僅僅在其1/2πfc=2πf L等式成立的時候,才是整體阻抗最小的時候,濾波效果才最好,頻率高了低了都會濾波效果下降,由此就可以分析出結(jié)論,為什么在IC的VCC端都會加兩支電容,一支電解的,一支瓷片的,并且容值一般相差100倍以上多一點。就是兩支不同的電容的諧振頻率點岔開了一段距離,既利于對稍高頻的濾波,也利于對較低頻的濾波。
圖二:電磁兼容性(EMC)_導線的高頻等效電路圖
線纜或PCB布線的高頻等效特性(如上圖示),無論高低頻,走線電阻都是客觀存在,但對于走線電感,則只在較高頻時候才可以顯現(xiàn)得出來。另外就是還有一個分布電容的存在,但是,在導線附近沒有導體的時候,這個分布電容有也是白搭,必須要兩個導體才可以發(fā)揮的作用。
電感和電阻的特性比較容易理解,就不作說明了。但磁環(huán)和磁珠的高頻等效特性卻不得不提一下,因為磁環(huán)對高頻脈動的吸波作用,與電感的表現(xiàn)有點類似,所以經(jīng)常被認為是電感特性,但事實上錯了。磁環(huán)是個電阻特性,不過這個電阻有點特別,它的阻值大小是頻率的函數(shù)R(f),如此的話,在一個帶有高頻波動的信號穿過磁珠的時候,高頻波動會因為I2R的作用而發(fā)熱,將波動干擾經(jīng)過電能——磁能——熱能的轉(zhuǎn)化過程,所以在導線上波動比較強烈的時候,磁環(huán)摸起來會是溫的。
以上是電磁兼容性(EMC)專業(yè)中高頻思維的基礎知識,了解電磁兼容性(EMC)方面的知識后,很多的設計問題都知其答案了。比如:
1、IC的VCC端為何加裝兩只電容,一只電解電容,一只瓷片電容,是因為電容的高頻等效特性,引線電感和電容的串聯(lián)導致其綜合阻抗隨頻率而變化,而在WL= (1/WC)的頻率點上,是其阻抗最小的點(如下圖示)。而且兩個電容分別有自己的最小阻抗點,分別對應不同的頻率點,以便于為IC不同頻率范圍的供電需求提供電流。
圖三:電磁兼容性(EMC)_IC退耦電容的阻抗-頻率特性圖
2、靜電工作臺的接地導線用寬的銅皮帶和金屬絲網(wǎng)蛇皮管,而不是黃綠的圓形接地線纜,圓形接地線纜的走線電感量偏大,不利于高頻靜電電荷的泄放。
3、線纜和線纜之間的間距不宜太近,否則會因為導線分布電容的存在而導致信號線纜之間出現(xiàn)串擾,當然,信號線對地線的耦合那又最好是近一點,這樣,信號線上的波動干擾可以方便的泄放到地線上去。
對電子工程師來說,把電子器件都當成一個高頻等效的組合電路,則電磁兼容性(EMC)設計將會更加完美。