02.28 EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)


EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)

在 EMC 設計中,電流環路是一個非常基本,但又特別重要的概念。對它的深入理解非常有助於 EMC 設計中一些實際問題。可惜大部分電磁兼容設計方面的資料對這一概念提及甚少,或是強調不夠。我們可以說常見的 EMC 問題,有一多半都與不正確的電流環路處理有關。


說到電流環路,我們先回憶一個近兩百年前的德國物理學家發現的定律--基爾霍夫電流定律:電路中任一個節點上,在任一時刻,流入節點的電流之和等於流出節點的電流之和。由此我們可以明白,在一個系統內,從某一節點流出去的電流,一定會沿某一路徑迴流到此節點。電流流出和流入此節點的路徑構成了一個電流環路。


(唉,感慨一下!在 21 歲的基爾霍夫發現此定律的這一年,另一個偉大的德國物理學家倫琴出生了。我們的祖國仍在清王朝的統治下,在新疆伊犁, 因罪戍邊的林則徐已經 60 歲了, 欣喜地獲知自己將被重新啟用的消息。也是在這一年,屢試不中的落第秀才洪秀全寫成《原道救世歌》、《原道醒世訓》,準備造反。)


如 圖1 所示,電流從 LM7805 的輸出端 OUT 引腳流出,經 1k 電阻,LED 發光二極管後,迴流到 LM7805 的地 GND 引腳,即為一個完整的電流環路。在電壓較高和電流較大的情況下,環路內的信號不易受到干擾。

EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)

現在集成電路的趨勢是工作電壓越來越低,電流越來越小,頻率越來越高。在這種情況下,面積大的電流環路就極易於被外部電磁場干擾,也容易產生干擾別人的電磁輻射。如下 圖2 所示,如果佈線時只考慮信號線,沒有考慮信號線的迴流路徑,那麼很容易產生電磁兼容問題。

EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)

另外就是板間互連的情況,如 圖3,圖4 所示。圖3為連接兩個板子的排線只有一根地線的情況,會有面積很大的電流環路存在。圖4 是以固定間隔插入地線的情形,電流環路得以減小很多。


EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)

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EMC 設計的一項重要工作就是識別出電流環路,並盡最大努力減小環路面積。下面是比較常用的雙面 PCB 版情況比前面稍複雜一些。考慮頂層佈線,底層全部鋪地的情況。此時電流的迴流路徑跟信號的工作頻率有關。如果頻率較低 (幾 KHz, 幾十 KHz),此時電阻起主要作用,迴流路徑沿底層直線最短距離走 (圖5);如果頻率較高 (幾 MHz 以上),此時電抗起主要作用,迴流路徑在底層沿信號線正下方走 (圖6)。


需要注意不要在迴流路徑上開槽,開孔,或者用過密的過孔,這些會導致迴流路徑改變。當讓不要在迴流路徑上放置易受干擾的器件,比如 ADC,運放之類。

EMC基本概念之電流環路 (Current Loop)

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