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EMC术语与概念

3W原则&10W原则 

在PCB设计中为了减小线间串扰,应保持线间距足够大,当线中心间距不小于3倍线宽时,则可保持大部分电场不互相干扰,这就是3W原则,满足3W原则能使信号串扰减少70%。同理当线中心间距不小于10倍线宽时,就是10W原则,而满足10W原则能使信号串扰减小98%。

环路面积 

信号电流从源端流到负载端,并从负载端流回到源端,信号电流与返回电流流过的面积,我们称作信号环路,也称环路面积,下图黄色部分表示的即为环路面积。

从EMI的角度讲,信号环路面积越大,其空间辐射能力越强,即信号辐射能量大小与其环路面积大小成正比。从EMS的角度讲,信号环路面积越大,越容易感应外界干扰,也就是说抗干扰能力越弱。在PCB设计阶段严格控制信号环路面积,尤其是高速信号环路面积是解决EMC问题的重要法宝之一。    

回流路径(return current)

高速数字信号传输时,信号的流向是从驱动器沿PCB传输线到负载,再由负载沿着地或电源通过最短路径或者阻抗最小路径返回驱动器端。这个在地或电源上返回的信号就称信号的返回路径,也称回流路径。

参考平面

参考平面是印刷电路板内部相邻于电路或信号的铜质层(电源层和地层),它可以是电源平面,也可以是邻近电路或信号布线的零电位参考平面。   参考平面的主要作用是为高频或射频电流返回源端,提供一条低阻抗的路径,可以实现磁通消除或者最小化。参考平面可以为信号提供完整的,最小化面积的返回路径,消除信号向外辐射的能量,同时也可以抑制外部干扰信号的耦合。

趋肤效应(skin effect)

趋肤效应又叫“集肤效应”,交变电流通过导体时由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈接近导体表面电流密度愈大,这种现象就叫趋肤效应。趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小,而使其有效电阻变大。

上图给出了典型PCB板高频信号连线和它的返回电流密度分布的横截面。在信号连线的垂下方的电流密度最大,并且在其两边随距离迅速下降。由于趋肤效应,信号电流只分布在导体的表面;返回路径中的电流分布集中在信号路径的下面,而且频率越高电流分布越集中;任何影响信号电流路径或返回电流路径的因素,都会影响信号受到的瞬时阻抗;任何妨碍返回电流靠近信号电流的因素,都会增加回路电感,并增加信号受到的瞬态阻抗,这将导致严重的EMC问题。

波长的概念(Wavelength)

波长是指波在一个振动周期内传播的距离,也就是沿着波的传播方向,相邻两个振动位相相差2π的点之间的距离。波长λ等于波速u和周期T的乘积,即λ=uT。同一频率的波在不同介质中以不同速度传播,所以波长也不同。

波长与频率的关系:    

频率就是某一固定时间内,通过某一指定地方的波数目,即  。因而由前面波长 的表达式,可以得到波长和频率的关系式为:

式中的传播速度的单位为m/s(米/秒),频率 的单位为赫兹(Hz,简称赫),波长 的单位为米。例如:中央人民广播电台第一套节目所用的一个广播频率为639kHz(千赫),电磁波在空气中的传播速度为光速3×108m/s,则可计算得这套节目的无线电波波长为:

波长与EMC的关系:

前面我们讨论天线的时候,了解到天线在1/4波长时,如果是发射天线则发射效率是最高,如果是接收天线则接收效率是最高的。如果某个干扰信号的布线长度达到1/4波长就可以形成最高发射效率的天线,所以PCB布线长度时要使易辐射信号的布线长度小于其1/4波长,防止形成最佳发射天线。    

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