环流:向我们发出警告

技术分类: 电源技术  | 2006-12-07
Paul Rako,EDN技术编辑


  记住电源返回、机壳公共端以及屏蔽接地各有不同要求。如果你在设计汽车,应避免用系统的机架作为电流返回路径。每个电源都应有用于传送电流的返回线路,这样,电源导线构成了一个较小区域的回路,降低了 EMI 辐射。要确保这个返回线路不会连接到系统机架的各个位置,如果不能避免,则这些连接要穿过共模扼流圈,或至少穿过磁珠。这种方案可降低高频交流电流,这种高频交流电流很有可能对RF信号造成干扰。保持屏蔽的作用,而不是用作电源的返回途径,这也可以保证产品有最低的 RF辐射,同样重要的是,机器起到抑制RF干扰的作用。用机架作为电源的返回路径是使维修人员不能在一个半导体厂中使用FM无线电的原因之一,这样做可能会造成机器重启动,或出现不可预料的动作。

  关于RF辐射与抑制辐射的更多讨论超出了本文的范畴。但是,如果你没有犯图13所示的那些错误,那么你的系统会更可靠。问题是一种经典的接地回路,其中同轴电缆的屏蔽承载电源电流,在外部导体上产生一系列压降,从而对信号造成干扰(图 13a)。使用这种方法后,当你站在价值数百万美元的半导体机器旁打开一台收音机时,会造成它们的崩溃。你还可以将一根电缆中的屏蔽都聚集在一起,用一根线绕过屏蔽焊接到一个传统的安培管脚连接器上(图 13b)。但是,在高频下,该线的电感是一个影响很大的高值无功阻抗。另外,形成的回路会像一根小天线,辐射和接收 EMI。这种方法由于电缆传感器端的 RF 环流以及向微处理器发假信号,会使半导体无法通过 CE 认证,从而使晶圆处理系统一次就能毁掉 25 块晶圆。


图13,在一个传统的接地回路中,同轴电缆的屏蔽层承载电源电流,在外部导体 (a) 上造成连续的压降,干扰信号。你还可以将一根电缆中的屏蔽层聚合起来,用一根线焊在上面,通过一个传统的安培管脚连接器绕过屏蔽。(b). 可以用一根线将车顶连接到车身,但 RF 信号很容易通过车顶和防护板 (c) 之间的缝隙传送



  图 13c 的情况来自于汽车业。它证明




了直流连接和 RF 连接之间的差异。你可以用一根导线将车顶连接到车身,但 RF 信号很容易从车顶与挡板之间的缝隙穿过。一片金属板上的孔洞会降低屏蔽的效果,并关系到可与波长比较的孔洞最大线性尺寸。在车顶周围布放多个触点可以降低每个孔的长度。同样,在 RF 频率下,导线是一个高值无功阻抗。机械工程师不相信这个事实,因为欧姆表测得的车身和车顶之间的阻抗为 0Ω。这个问题再结合上使用塑料内护板,就给汽车工程师带来了无尽的烦恼,因为他们无法避免汽车点火噪声干扰收音机的接收。

  模拟与 RF 顾问 James Long 对客户提出忠告:“记住电流会在闭合环路中流动,正如 Kirchoff 电流定律所述的那样。另外,电流会取最小阻抗的路径。在 RF 时,这是感性电抗。它选择的路径是回路电感为最小值,意味着回路包裹的区域最小。使用这些规则,你就可以想象出电流流过的地方,以及它会引起的二次效应。” Long 还建议,将进出导体尽量靠近布放,促使电流流过你希望流过的地方,而避开返回电流会造成损害的地方。


参考文献
1. "Understanding and Minimizing Ground Bounce," Fairchild Application Note AN-640, February 2003.
2. Kelvin (4-wire) resistance measurement, All About Circuits,
www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_8/9.html.
3. Varga, Craig, "Improved Kelvin contacts boost current-sensing accuracy by an order of magnitude," EDN, Feb 17, 2005, pg 80.



  附文1:阻抗101:熟悉的阻抗老公式

  众所周知,电阻是电阻器的特性,但阻抗则是一个与频率有关的特性,它涉及连接的电容与电感。每个工程师都记得无功元件的有关电流和电压的公式。由于电感器和电容器中的电压与电流有随时间而变化的现象,你必须祈求计算结果能表示这些类型元件的行为。在计算中,一个节点的电压不是依赖于直流电流,而是电流中随时间的变化量,可以用微分 di/dt 表示电流随时间的变化。

  电容器和电感器的基本特性将容许健忘的工程师通过检查得出它们的关系。电容值越大、信号变化越快,则电容器上获得的电压就越小。这一情况证明,你可以在分母中放入电容和频率项。因此,对一个电容器来说,Z=1/wC,而辐射频率 w 相当于2pf,其中频率f的单位为赫兹,或每秒周期数。因此,电容器上电压与电流之间的关系就是Z=1/2pfC。反之,通过直接观察,电感器在高频下为开路,这给出一个提示,即电感值越大或频率越高,电感电路的有效电阻也越大。因此对电感器来说,频率与电感值出现在分子上。所以电感器的阻抗为 Z="2pfL"。

  在直流或零频率下,对电感器和电容器的直觉就起作用了。电容公式中分母为零意味着直流时电容器的阻抗为无穷大。同样,电感电路公式中分子为零意味着直流时电感器的阻抗为零。实际电容器有泄漏电流,因此阻抗不是无穷大,并且实际线圈也总有一个金属电阻,意味着阻抗不为零。环流没有直流现象,但电流在直流下仍会产生问题。高频时出现的问题更多。

  工程师在不同节点更多地用电压而不是用电流去分析和构想电路。他们这个想法来自于示波器和电压表能很方便地用于测量节点电压,而测出一个节点的分支电流则不太容易。由于电压非常重要,你会
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