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王伟

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让思维跑出PCB板才能看到共模回路分析清EMC问题

  差模共模定义:
  1.从一个系统的一对输入端看,若信号的极性以及电流方向相同,称为共模信号。
  2.从一个系统的一对输入端看,若信号的极性以及电流方向相反,称为差模信号。
  如PCB中从芯片A传递一个电流信号至芯片B,并从芯片B的地管脚返回一个同样大小,相反方向的电流至芯片A的地,这是差模电流。但是由于电路在设计时导体周围存在分布电容,这些分布电容为高频的交流信号提供了一个通路。如果信号源是高频交流信号,就会有一部分电流从差模回路中逃逸出来,从空间分布电容返回信号源,这就是共模电流。
2.jpg
  上图所示这里存在两个电流回路,差模电流回路和共模电流回路。具体多少取决于两个回路的阻抗,极端的说只有差模阻抗为0或共模阻抗为无穷大时,才不会有共模电流。
  共模问题是疑难问题:
  大部分情况下,差模回路旁边总会有一个金属导体(大地、参考地或金属壳体),这个导体就会成为形成共模电流返回路径的通道。这个导体通常被称为“地”。可见,大部分情况下,共模电路是通过分布电容形成的,设计师看不见也摸不到,于是成为电路分析的疑难问题。
  共模问题是EMC问题的核心问题:
  当一个回路处于电磁场中时,电磁场会在电回路上感应出电压,图中是一个简单的电路。在差模信号的回路中,电磁波会在此回路中感应出差模电压。这个差模电压直接叠加在信号电压上,因此会对负载产生直接影响。这个感应差模电压的大小与环路面积有直接的关系,设计者只要在电路设计时控制好环路面积(如PCB中铺设地平面),就能把差模感应电压控制在很小的范围内。
  然而,电磁场还会在两根导线上同时感应出电压,由于这个电压在两根导体上幅度、相位完全相同,虽然不直接产生差模电流,但是由于空间分布电容和周围导体(地)的存在,会形成共模电流。虽然共模电压不会影响电路的工作,但是,如果负载两端对地阻抗不相同,两个导体上的共模电流也不同,就会产生差模成分,导致差模电压,影响电路的工作。
  相反,产品的正常工作电路在正常差模传递时,虽然电流较大,但是由于差模回路的环路面积得到很好的控制(如铺设地平面),就不会引起较大的差模辐射。然而寄生出来的EMI共模回路,由于环路面积远远大于差模回路,就会引起较大的共模辐射,实践证明:只要微安级的共模电流就会引起EMI辐射超标;即使是数十毫安的差模电流也不会引起EMI超标。
  实现差模到共模的思维转变是入门EMC学科的关键一步:
  按以上共差模的定义与分析,可以看到,产品的功能电路设计实际上是一种差模思路的设计,电路设计过程中的关键交付件-原理图也是一种差模的电路信息表达,长期以往,设计者就形成了一种差模的思维定式。当碰到EMC问题时,很难从原来差模的思维定式中破茧而出,形成一种新的思维模式去完整的分析电路。这种新的思维模式就是共模的思维模式,他可以让我们看到那些被遗忘的回路,就是他们一直是困扰着我们,不断的传递者各种高频信号,在我们意想不到的路径中传递。
  让思维跑出原理图、PCB板才能看到共模回路,分析清EMC问题!!



原作者:Norman EMC密码

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