EDA365:PCB 電磁幹擾原理

2021-01-09 EDA365網

電子產品單板PCB 對外產生的幹擾既可能是差模幹擾,也可能是共模幹擾。產生幹擾的原因是單板PCB 上存在著對應的共模(CM)幹擾電流和差摸(DM)幹擾電流。單板上產生的幹擾以傳導或輻射的方式對外形成發射,從而導致產品EMC 問題。

共模幹擾電流與差模幹擾電流如下面兩個圖所示。

對於共模幹擾(Common-mode)電流,是指兩導線上的幹擾電流振幅相等,而方向相同。如下圖所示,在通過分布參數,與地參考平面形成了共模環路,就有共模電流在環路流過。

圖5 共模幹擾

對於差模幹擾(Differential-mode)電流,是指兩導線上的幹擾電流,振幅相等,方向相反。如下圖所示,差分信號對之間的電流以及信號和其對於的地上回流,就屬於差模電流。

根據電磁場理論,差摸幹擾電流,信號和回流電流都是相互反方向的,差摸電流存在180 度的相位差,因此差模電流的磁場主要集中在差模電流構成的迴路面積之內,而迴路面積之外的磁力線會相互抵消。共模電流方向是相同的,在迴路面積之外,共模電流產生的磁場方向相同,磁場強度反而加強。通常產品對外的幹擾多以共模為主。

要精確計算PCB 對外的輻射很難,業界通常根據PCB 上差模電流和共模電流近似的輻射天線模型,來計算對外幹擾的場強大小,即PCB 中輻射出來的RF 能量。PCB 單板上有許多信號環路,如信號與信號地之間環路,電源與其相應地之間的環路,都是差模電流環路。計算差模輻射強度時,可以近似等效為環天線模型。

環天線模型的輻射強度由下式計算:

E=263*10-16f2AI/r

其中

E:電場強度(V/m)

f :電流的頻率(MHz)

A:電流的環路面積(cm2)

I :電流的強度(mA)

r :測試點到電流環路的距離(m)

PCB 單板上也存在共模信號環路,如外接電纜與大地之間的環路,就是共模電流環路。計算共模輻射強度時,可以近似等效為單級天線模型,也有稱為棒天線模型。

單極天線模型的輻射強度由下式計算:

E=12.6*10-7fIL/r

其中

E:電場強度(V/m)

f :電流的頻率(MHz)

L:電纜的長度(m)

I :電流的強度(mA)

r :測試點到電流環路的距離(m)

由於在PCB 單板上存在差模幹擾和共模幹擾,在PCB 布局與布線時,需要根據上述幹擾的原理,儘量減小差模信號環路面積,減小共模電流,來降低單板PCB 對外的幹擾。

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