EMC基本概念之电流环路 (Current Loop)

在 EMC 设计中,电流环路是一个非常基本,但又特别重要的概念。对它的深入理解非常有助于解决 EMC 设计中一些实际问题。可惜大部分电磁兼容设计方面的资料对这一概念提及甚少,或是强调不够。我们可以说常见的 EMC 问题,有一多半都与不正确的电流环路处理有关。

说到电流环路,我们先回忆一个近两百年前的德国物理学家发现的定律–基尔霍夫电流定律:电路中任一个节点上,在任一时刻,流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。由此我们可以明白,在一个系统内,从某一结点流出去的电流,一定会沿某一路径回流到此节点。电流流出和流入此节点的路径构成了一个电流环路。

(唉,感慨一下!在 21 岁的基尔霍夫发现此定律的这一年,另一个伟大的德国物理学家伦琴出生了。我们的祖国仍在清王朝的统治下,在新疆伊犁, 因罪戍边的林则徐已经 60 岁了, 欣喜地获知自己将被重新启用的消息。也是在这一年,屡试不中的落第秀才洪秀全写成《原道救世歌》、《原道醒世训》,准备造反。)

如 图1 所示,电流从 LM7805 的输出端 OUT 引脚流出,经 1k 电阻,LED 发光二极管后,回流到 LM7805 的地 GND 引脚,即为一个完整的电流环路。在电压较高和电流较大的情况下,环路内的信号不易受到干扰。

现在集成电路的趋势是工作电压越来越低,电流越来越小,频率越来越高。在这种情况下,面积大的电流环路就极易于被外部电磁场干扰,也容易产生干扰别人的电磁辐射。如下 图2 所示,如果布线时只考虑信号线,没有考虑信号线的回流路径,那么很容易产生电磁兼容问题。

另外就是板间互连的情况,如 图3,图4 所示。图3为连接两个板子的排线只有一根地线的情况,会有面积很大的电流环路存在。图4 是以固定间隔插入地线的情形,电流环路得以减小很多。

EMC 设计的一项重要工作就是识别出电流环路,并尽最大努力减小环路面积。下面是比较常用的双面 PCB 版情况比前面稍复杂一些。考虑顶层布线,底层全部铺地的情况。此时电流的回流路径跟信号的工作频率有关。如果频率较低 (几 KHz, 几十 KHz),此时电阻起主要作用,回流路径沿底层直线最短距离走 (图5);如果频率较高 (几 MHz 以上),此时电抗起主要作用,回流路径在底层沿信号线正下方走 (图6)。

需要注意不要在回流路径上开槽,开孔,或者用过密的过孔,这些会导致回流路径改变。当让不要在回流路径上放置易受干扰的器件,比如 ADC,运放之类。

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