I printkort kan mange ting forårsage EMI. For eksempel: radiofrekvens strømme, common-mode-spændinger, jordsløjfer, impedans-misforhold og magnetisk flux. For at kontrollere EMI er vi nødt til at lære disse årsager at kende trin for trin og se, hvordan de påvirker kortet. Vi kan studere matematikken fra elektromagnetisk teori. Men den vej er lang og svær. For de fleste ingeniører er klare og enkle ord mere nyttige. Denne artikel handler om: “Kilderne til elektriske felter” på et printkort, hvordan man bruger Maxwells ligninger og ideen om at minimere den magnetiske flux.
1. Kilder til elektriske felter
1.1 Elektrisk dipolmodel (tidsvarierende)
Kilden til elektriske felter modelleres ofte som en tidsvarierende elektrisk dipol. Dette er den modsatte idé af en magnetisk kilde. En elektrisk dipol betyder to tætte, modsatte punktladninger, der ændrer sig med tiden. De to ender af dipolen viser en ændring i ladning. Det sker, fordi der løber strøm i hele dipolens længde. Du kan modellere en elektrisk kilde ved at drive en uafsluttet antenne med et oscillatorsignal. Dette kredsløb viser, hvordan en elektrisk kilde fungerer. Men du kan ikke forklare det ved kun at bruge lavfrekvente kredsløbsidéer.
Glem ikke, at signalets udbredelseshastighed ikke er uendelig. Hastigheden afhænger af de ikke-magnetiske materialers dielektriske konstant. Fordi hastigheden er begrænset, vil der forekomme RF-strøm i kredsløbet. Folk antager nogle gange, at ledningen har samme spænding i alle punkter, og at kredsløbet altid er i balance i hvert øjeblik. Dette er ikke sandt ved RF.
1.2 Nøglefaktorer, der påvirker elektromagnetiske felter
Det elektromagnetiske felt fra en elektrisk dipol afhænger af fire ting:
- Strømmens amplitude i sløjfen: Feltet er proportionalt med den strøm, der flyder i dipolen.
- Dipolens polaritet og måleantennen: Dipolens polaritet skal matche måleinstrumentets antennepolaritet. Dette er som en magnetisk kilde.
- Dipolens størrelse: Feltet er proportionalt med længden af det aktuelle element. Men linjelængden må kun være en del af en bølgelængde. Jo større dipolen er, jo lavere er den frekvens, der måles ved antennen. For en given størrelse vil antennen resonere ved en bestemt frekvens.
- Afstand: Elektriske og magnetiske felter hænger sammen. Deres styrke afhænger af afstanden. I det fjerne felt er opførslen som en sløjfe (magnetisk) kilde, og du ser en elektromagnetisk plan bølge. Tæt på punktkilden er feltets afhængighed af afstanden stærkere.
1.3 Forholdet mellem nærfelt og fjernfelt
Nærfelt og fjernfelt indeholder både magnetiske og elektriske dele. Alle bølger kombinerer elektriske og magnetiske dele. Denne blanding er Poynting-vektoren. Faktisk findes der ingen ren “elektrisk bølge” eller “magnetisk bølge” alene. Vi kan måle en plan bølge, fordi bølgefronten for en lille antenne flere bølgelængder væk ser ud som et plan.
En lille tegning kan hjælpe. Den skal vise bølgeimpedans og afstand. Etiketterne skulle lyde: bølgeimpedans; elektrisk-felt-dominerende område med E = 1/r og H = 1/r²; plan bølge med Z = 377 Ω; asymptotlinje; reel form; magnetfelt-dominerende område; overgangsområde; nærfelt H = 1/r³, E = 1/r²; fjernfelt; vandret akse 0,1, 0,5, 1,0, 5,0.
Denne visning er den fysiske “profil”, som antennen ser. Tænk på det som at kaste en sten i en flod og se krusninger. Feltet udstråler fra en punktkilde med lysets hastighed. Hastigheden afhænger af den dielektriske konstant. Enheden for det elektriske felt er V/m. Enheden for det magnetiske felt er A/m. Forholdet mellem E og H er impedansen i det frie rum. For en plan bølge i det frie rum er bølgeimpedansen Z₀ konstant. Den afhænger ikke af afstanden eller af punktkilden. En plan bølge i det frie rum bærer energi i watt pr. kvadratmeter.
1.4 Støjkobling og klumpede komponentmodeller
Til de fleste anvendelser af Maxwells ligninger modellerer vi støjkoblingen med ækvivalente klumpede komponenter. For eksempel: Et tidsvarierende elektrisk felt mellem to ledere er som en kondensator. Et tidsvarierende magnetfelt mellem de samme to ledere er som gensidig induktans. En figur kan vise disse to støjkoblingsstier.
For at sådanne støjmodeller skal være korrekte, skal kredsløbet være lille i forhold til signalets bølgelængde. Hvis det ikke er tilfældet, kan vi stadig bruge modeller med klumpede komponenter til at beskrive EMC. Hvorfor er det sådan? Fordi Maxwells ligninger er svære at anvende i mange virkelige tilfælde på grund af komplekse grænser. Hvis klumpmodellen virker nogenlunde korrekt, er den nyttig. De fleste diskrete komponenter opfører sig normalt pålideligt.
En numerisk model vil ikke altid vise, hvordan støj opstår fra systemparametre. En model kan være et svar, men det er ikke sikkert, at systemparametrene er kendt, fundet eller synlige. Blandt de tilgængelige modeller er modeller med faste komponenter ofte det bedste praktiske valg.
1.5 Betydning for PCB-layout
Hvorfor studerer vi denne teori for PCB-layout? Det enkle svar er, at vi skal vide, hvordan elektromagnetiske felter opstår. Så kan vi reducere RF-felter på printkortet. Det betyder, at vi skal reducere RF-strømmene i kredsløbet. RF-strøm forbindes med signalfordelingsnetværket, omgås og kobles. RF-strømmen danner til sidst overtoner og andet digitalt signalindhold. Signaldistributionsnetværk skal være så små som muligt. Det reducerer arealet af RF-returstrømssløjfer. Bypass og kobling vedrører store strømme og skal ske gennem strømfordelingsnetværket. Strømfordelingsnetværket har pr. definition store områder med RF-retursløjfer.
2. Anvendelse af Maxwells ligninger
2.1 Sammenkædning af Maxwells ligninger med Ohms lov
Vi introducerede Maxwells grundlæggende ideer ovenfor. Men hvordan anvender vi denne viden om fysik og matematik på EMC på et printkort? Vi skal forenkle Maxwells ligninger for at kunne bruge dem til printbaner. Vi kan forbinde Maxwells ligninger med Ohms lov.
Ohms lov i tidsdomæne:
V = I × R.
Ohms lov i frekvensdomæne:
V_rf = I_rf × Z.
Her er V spænding, I strøm, R modstand og Z impedans (Z = R + jX). rf betyder radiofrekvensenergi. Hvis der er RF-strøm i et PCB-spor, der har en fast impedans, vil der blive skabt en RF-spænding. RF-spændingen er proportional med RF-strømmen. Bemærk: I bølgemodellen er R erstattet af Z. Z er kompleks. Den har modstand (reel) og reaktans (imaginær).
2.2 Impedansformler for ledninger/PCB-baner
Der er mange måder at skrive impedans på, afhængigt af om vi ser på planbølgeimpedans eller kredsløbsimpedans. For ledninger eller PCB-spor bruger vi:
Vinkelfrekvens:
ω = 2πf.
Induktiv reaktans:
X_L = 2πfL.
Kapacitiv reaktans:
X_C = 1 / (2πfC).
Impedans:
Z = R + jX_L + 1/(jX_C) = R + jωL + 1/(jωC).
Når en komponent har kendt modstand og induktans, f.eks. en ferritperle på en ledning, en modstand, en kondensator eller enheder med parasitter, skal vi tage højde for, at impedansen ændrer sig med frekvensen.
2.3 Nuværende mekanisme til valg af sti
Over nogle kHz bliver reaktansen normalt større end R. Men ikke altid. Strømmen vælger den vej, der har mindst impedans. Under nogle kHz kan modstand være den mindste vej. Over nogle kHz kan reaktansen være afgørende. Mange kredsløb fungerer over kHz, så den simple idé “strømmen vælger den mindste modstands vej” forklarer ikke længere fuldt ud, hvordan strømmen flyder på en transmissionslinje.
For ledere, der fører strøm over 10 kHz, vil strømmen vælge den vej, der har mindst impedans. Hvis belastningsimpedansen er forbundet med en ledning, et kabel eller et spor og er større end den parallelle kapacitans på transmissionsvejen, vil induktansen dominere. Hvis alle tilsluttede ledninger har samme tværsnit, har stien med det mindste loop-areal den mindste induktans. Jo mindre sløjfearealet er, jo mindre er induktansen. Så strømmen flyder den vej.
2.4 Indvirkning af sporinduktans på RF-energi
Hvert spor har en begrænset impedans. Sporinduktans er den eneste grund til, at der kan være RF-energi på et printkort. Lange bond-ledninger mellem en siliciumchip og en monteringspude kan også forårsage RF-energi. Routing på et printkort kan skabe høj induktans, især når sporene er lange. Et langt spor betyder, at tur-retur-længden er lang. Det giver en tidsforsinkelse i sporet. Et signal kan blive sendt ud, før et andet kommer tilbage. I frekvensdomænet bliver et spor “langt”, når dets samlede længde er større end ca. λ/10 ved en frekvens, der er til stede i sporet.
Kort sagt: En RF-spænding på tværs af en impedans skaber RF-strøm. Denne RF-strøm kan udstråle energi i det frie rum og bryde EMC-grænserne. Disse eksempler forbinder Maxwells ligninger med PCB-routing med simpel matematik.
2.5 Højrehåndsregel for magnetisk fluxretning
Maxwell siger, at en ladning i bevægelse på et spor skaber strøm. Strømmen skaber et magnetfelt. Disse magnetiske fluxlinjer følger sporet. Brug højrehåndsreglen til at finde fluxretningen. Peg din tommelfinger i strømmens retning. Dine krøllede fingre viser magnetfeltet omkring sporet. Et tidsvarierende magnetfelt skaber et vinkelret elektrisk felt. RF-stråling er en blanding af dette magnetiske og elektriske felt. Felterne kan forlade printkortet ved stråling eller ved ledning langs tilsluttede kabler.
Bemærk, at magnetfeltet løber rundt om en lukket sløjfegrænse. På et printkort driver kilden RF-strøm fra kilden til belastningen gennem et spor. RF-strømmen skal vende tilbage til kilden (Amperes lov). Dette skaber et RF-strømloop. Sløjfen behøver ikke at være cirkulær, men er ofte spiralformet. Fordi returstien skaber en lukket sløjfe, skaber den et magnetfelt. Magnetfeltet skaber et udstrålet elektrisk felt. I nærfeltet kan de magnetiske dele dominere. Men i fjernfeltet er forholdet E/H (bølgeimpedans) ca. 120π Ω eller 377 Ω. Den værdi afhænger ikke af kilden. Så i fjernfeltet kan man bruge en sløjfeantenne og en følsom modtager til at måle den magnetiske del. Den modtagne strøm er E/(120π) i A/m, hvis E er i V/m. Man kan også måle den elektriske del med de rette værktøjer i nærfeltet.
2.6 Betydningen af lukkede kredsløb
Et andet simpelt syn på RF på printkort kommer fra typiske kredsløb, der er vist i figurer. Brug tidsdomæne- og frekvensdomæneanalyse. Kirchhoffs og Amperes love siger, at der skal være et lukket kredsløb, for at et kredsløb kan fungere. Kirchhoffs spændingslov siger, at summen af spændinger omkring enhver lukket bane er nul. Amperes lov siger, at en strøm skaber magnetisk induktion i et punkt, baseret på strømmen og geometrien.
Hvis der ikke fandtes et lukket kredsløb, kunne et signal ikke bevæge sig fra kilden til belastningen på en transmissionslinje. Når en kontakt lukkes, dannes kredsløbet, og der flyder AC- eller DC-strøm. I frekvensdomænet er denne strøm RF-energi. Der er ikke en separat form for strøm i tids- eller frekvensdomænet. Der findes én strøm, og vi kan se den i begge domæner. RF-returvejen skal eksistere fra belastning til kilde, ellers kan kredsløbet ikke fungere. Derfor skal PCB-strukturen overholde Maxwell, Kirchhoff og Ampere.
Alle disse love siger: For at et kredsløb kan køre som forventet, skal der være et lukket netværk. En figur viser et sådant typisk kredsløb. Når et spor går fra kilde til belastning, skal der være en returstrømsvej. Det er Kirchhoff og Ampere.
En anden figur ville vise en kontakt og en driver E i serie. Når kontakten er lukket, fungerer kredsløbet. Hvis den er åben, gør den det ikke. I tidsdomænet går det ønskede signal fra kilde til belastning. Signalet skal have en returvej, normalt gennem en 0V jordreference. RF-strømme flyder fra kilde til belastning og vender tilbage gennem stien med den mindste impedans. Det er ofte gennem et jordspor eller -plan, et spejlplan. Brug Amperes lov til at forklare RF-strøm.
3. Fluxminimering (minimering af magnetisk flux)
3.1 Mekanisme for generering af magnetisk flux
Før vi undersøger, “hvordan EMI optræder på et printkort”, skal vi lære, hvordan magnetiske linjer dannes på transmissionslinjer. Magnetisk flux er en kerneidé. Flux dannes, når strøm flyder gennem en fast eller varierende impedans. Impedans findes i spor, komponentledninger, vias og så videre. Hvis der findes flux på printkortet, siger Maxwell, at der også findes RF-energistier. Disse veje kan stråle ud i det frie rum eller ledes væk gennem kabler.
3.2 Princippet om fluxannullering
For at fjerne RF-strøm på printet bruger vi “flux cancellation” eller “flux minimization”. Magnetiske linjer løber i én retning rundt om sporet. Hvis vi laver RF-returstien parallelt med og tæt på kildesporet, løber returstiens felt modsat kildefeltet. Når felter løber i modsatte retninger, ophæver de hinanden. Hvis uønsket flux mellem kilde og returvej annulleres eller holdes lille, vil der ikke være stråling eller ledet RF-strøm, undtagen ved meget små sporekanter. Konceptet med at annullere flux er enkelt. Men i designet skal man holde øje med fælder og små fejl. En lille fejl kan give mange ekstra problemer, som gør det svært at debugge.
Den nemmeste metode til fluxannullering er at bruge et billedplan (spejlplan). Uanset hvor god en rute man laver, vil der altid være elektriske og magnetiske felter. Men hvis du annullerer magnetiske linjer, er EMI væk. Så enkelt er det.
3.3 Tips til fluxminimering i PCB-layout
Hvordan annullerer man flux i PCB-layout? Der er mange tips. Ikke alle ophæver flux direkte. Nogle almindelige:
- Brug flerlagskort med korrekt stackup-tildeling og impedansstyring.
- Før urspor nær returjordplanet (på flerlags printkort). På enkelt- eller dobbeltsidede printkort skal du bruge jordspor eller beskyttelsesspor i nærheden af ursporene.
- Indfang magnetisk flux fra indersiden af plastikpakker i 0V-referencen for at sænke komponentstrålingen.
- Vælg logiske dele omhyggeligt for at reducere det RF-spektrum, delene udsender. Brug så vidt muligt enheder med langsommere edge rates.
- Reducer RF-drivspændingen fra clock-drivere (TTL/CMOS) for at sænke RF-strømmen på sporene.
- Lavere jordstøjsspænding, der findes mellem strøm- og jordplan.
- Når mange enhedsstifter skifter på én gang for at drive en stor kapacitiv belastning, skal du sørge for tilstrækkelig afkobling til delen.
- Afslut clock- og signalspor korrekt for at undgå ringning, overshoot og undershoot.
- Brug datalinjefiltre og common-mode-drossler på netværk, der har brug for dem.
- Til eksterne I/O-kabler skal du bruge bypass-kondensatorer korrekt (ikke som afkobling).
- For komponenter, der udsender en masse common-mode RF-energi, skal du give dem en jordet køleplade.
3.4 Andre årsager til EMI i PCB'er
Et kig på listen viser, at magnetisk flux kun er en del af EMI på printkort. Andre årsager omfatter:
- Common-mode- og differential-mode-strømme mellem kredsløb og I/O-kabler.
- Jordsløjfer, der genererer magnetiske feltstrukturer.
- Udstrålende komponenter.
- Uoverensstemmelse i impedans.
Bemærk: Det meste EMI-stråling kommer fra common-mode-spændinger. På en printplade eller et kredsløb kan disse common-mode-niveauer omdannes til små felter.
Konklusion
For at fjerne EMI på printkort skal man starte med at reducere den magnetiske flux. Det er nemt at sige det, men det er sværere at gøre det. RF-energi er usynlig og svær at finde. Ved at lokalisere, hvor RF-strømmen flyder, og hvilken vej den flyder, og ved at bruge tipsene ovenfor og reglerne fra Maxwell, Kirchhoff og Ampere, kan du indsnævre det mistænkte område. Find derefter den egentlige EMI-kilde, og fjern den.
