文 | 袁波
我们在接触新鲜事物的时候,通常习惯用自己熟悉的知识去解释自己不熟悉的事物。EMC知识更多的涉及到微波和射频,对于像我这种专注于信号完整性而对EMC知识知之甚少的菜鸟来说,最初也只能用SI的一些基础知识去撬开EMC设计的大门了。在我的认知里,EMI关注的是电磁能量的辐射,包括外部电磁环境对自身系统的干扰,以及自身辐射的电磁能量对外部系统的干扰。这些干扰都不能超过一个限度,超过了这个限度就会引起问题,这些干扰归根结底还是影响了系统的信号完整性。
电路板上的电磁能量是怎么辐射出去的?
说到这里,我就想起了下面这幅图,这也是我对电磁辐射最基本的印象。
图1 PCB的电磁辐射
早期的PCB是单层板的,芯片之间是通过导线连接起来,电源线和信号线没啥区别,仅仅是连通的导线而已。这又让我想到了自己的毕业设计,是一个单片机控制的LED显示屏,这个系统很简单,就几个IC以及色环电阻,电容都没几个,通过简单的焊接,电路就可以工作了。根本就没有用到微带线,带状线,双绞线,同轴电缆这些东东。
学习高速设计之后,我明白了,随着频率的上升,信号跳变产生的电磁能量也在增加。芯片之间再也不能这样简单的连接起来了,像图1这种连接方法,会使回路电感很大,回路电感很大,就会使得交流信号的感抗很大,信号根本不会老老实实沿导线传播,而是会辐射到空间中去。
怎么解决电路板的电磁辐射问题?
在SI工程师眼中,使用微带线或者带状线是为了给信号提供一个低阻抗的传输路径。这在EMC工程师眼中也是电磁屏蔽的需要。在使用了微带线或者带状线之后,电磁能量就被控制在了导体之间的介质中了。
为什么在使用了微带线和带状线后,电磁能量大部分会被束缚在介质中呢?主要原因是信号路径与回流路径靠的更近,这样整个回路的电感就减小了。不信我们来使用软件计算一下
回流路径靠的近
回流路径靠的远
由上图可知,参考平面对传输线的单位长度有效电感的影响是很大的。可以想象,在高频条件下,如果信号拥有很好的回流路径,那么它所感受到的回路电感就会很小,信号就会按照人们的意愿从发射端传输到接收端,如果信号感受到的回路电感很大就会产生辐射问题。
小结
在低频的时候,可以不考虑电磁干扰的问题,低频时导线周围的电磁场变化没有那么强烈,导线的电感效应也不会表现的那么明显。但是到了高频,电磁场变化剧烈,应该充分考虑信号路径与返回路径的耦合问题,利用信号路径与返回路径的耦合来减小整个回路的电感,控制导线向空间发射的电磁能量。
问题来了～
为什么参考平面靠近信号线会使传输线总电感减小?
