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1、拓扑结构影响共模电流的流动方式本文 TAG：Designnews 创新 拓扑结构 共模电流 2008/6/26作者：W.Michael King出处：设计创新网阅读：1480 推荐：0众所周知，电子系统产品和设备其内部循环电流有两种模式：单端回路电流和差动回路电流。这两种模式的电流包含了所有的信号和电源配置。差动模式电流一般有共用的基准点，例如两个支路间的中心抽头，或共用映像（即所谓的“地” ）。众所周知，电子系统产品和设备其内部循环电流有两种模式：单端回路电流和差动回路电流。这两种模式的电流包含了所有的信号和电源配置。差动模式电流一般有共用的基准点，例如两个支路间的中心抽头，或共用映像（即所
2、谓的“地”）。然而，并不为大众所了解的是，即使是单端回路的信号和电源也是存在差动的，这种差动存在于“高端”信号与“ 回程原点”信号之中。当一路非预期电流迭加到预期信号或功率电流时，“串联调制 ”形式将会出现。这种调制将一定比例的非预期电流耦合至预期信号或功率的传递过程，这可能会导致电路运行功能的破坏。这是机械结构特征尽管这听起来十分奇特，但在设计中，产生非预期电流的机制都与机械结构特征相关联。为了更好地了解机械结构对电路的影响，下文将给予形象的介绍。让我们考虑当电流以射频（或瞬态）流经一平板时，此时该机械结构内的状况。最上端的图描绘了此时机械结构内磁通量的分布模式。现在， 如果我们将机械孔引入
3、上述机械结构，会对电流模式产生什么样的影响？我们看到，磁通重新分布，并沿着这些孔产生循环电流。中间的图向我们展现了重新分布后的磁通情况，以及一系列层级共模场势 EcmA、EcmB 、EcmC，他们跨越孔向，并与射频电流反向。物理学表明：当这些孔间距相对于孔的尺寸可忽略不计时，会产生被称为“阵列效应” 的现象。这种效应意味着，跨越每一个孔所产生的场电势将会逐渐积累或结合“相加 ”。这类似于压在一起的一串弹簧。弹簧越多，反弹力越大。作者 Michael King 巧妙利用图表，详尽描述了电子设计中常见的，非预期电流与预期电流的相互影响以及其中的电压关系。这些关系通常由复杂的数学模型和等式描述。与其
4、他讨论这类问题的文章不同，通过这篇文章，读者获得的不仅仅是一个准确的结论，更能从中获得将其运用于自己的设计中的灵感。 Russell LaitVP, OperationsAlacritech 公司这篇文章内容科学准确，对新产品的设计具有参考价值。一般而言，在设计新产品的初期， EMC 问题一般不予考虑。但这将会导致在后期为了使产品通过 EMC 测试，而以增加铜带和铁氧体磁环为代价（而这并不是一种令人满意的封装）。 Chuck ONeil 设计工程师 Pro-Dex最下方的图是描述场电势“阵列”的等效图，受电感强烈影响，板内会产生电势损耗。将这一原理延伸至电子产品领域，这种孔阵列效应是否普遍存在
5、呢？回答是肯定的，在绝大多数电路板上都有孔阵效应！图 2A 形象地表现了电路板上钻孔形成的“ 阵列效应”。其结果是，图示标注出了两个“共模”下电势的损耗区域。Ecm1 是我所称之为 “布局电感” ，这是由那些位于电路封装器件附近的“ 通路孔”在电路板上引起的损耗现象。第二部分，Ecm2 是在电路板上封装器件内的区域。在大多数电路板中，这些损耗效应是不可避免的，如果采用盲孔，或者沉孔不钻透所有的电路板层，也只能缓解这种状况。而且，带盲孔的电路板因生产成本偏高，不适用于大批量商业产品的制造。这其中究竟有什么原因呢？如右页所示为该效应的扩展影响。图 2B 是等效电路的截面图。共模电流 Icm 流过那
6、些“钻孔”，由于孔间等效电感 L2 产生场电势 Ecm1，由此产生 Is 耦合信号。电路板上的器件封装部分也受此耦合信号 Is 影响，在电感 L1 处产生场电势 Ecm2。此时，在电路板与其上的封装器件间建立了场电势 Ecm3，即 Ediff，它是叠加于 Is 信号电流的差动电动势，由激励电流 Icm 产生，而激励电流 Icm 通常以瞬态或脉冲波形式出现。如果从机械的角度解释这种电路效应，那么电路板上的封装器件就像一张蹦床，周围的钻孔使其具有势能。如何改善这种状况呢？最简单有效的方法是，重视产品设计中机械结构的布局架构和拓扑结构。然后，再分析机械布局、特别是到接口（包括电源）电缆是如何对共模电
7、路产生干扰的。最终目标是要尽可能的将共模电流“引导” 至电路干扰最小的区域。只要共模电流远离干扰区域，就不会产生电路功能紊乱。大部分影响运行功能和可靠性的共模电流，多来自于产品“外部 ”。因此导线的位置是重要的考虑因素。在前文的描述中，我们已经对电路板中共模耦合的发生原理有了一般性的认识，调整电缆接头的机械位置，是防止恼人的干扰电流的第一道屏障。从图 3A 可以看出，共模损耗问题在所有的电路板上都存在。代表电势高低的两条线/缆分别位于电路板的两端。共模电流 Icm 顺势流过板上的三个集成电路封装组件，每个封装组件周围有钻孔。这种“结构设计错误” 通常会引起电路板内一系列的场电势损失。如图所示，
8、分别在每个封装组件 Ic1到 Ic3 周围形成的布局电感（L1L5）处，产生 E1 到 E6 场电势损失。由于共模的迭加效应/耦合效应，这个横截面上的信号和元件都面临出现功能性问题的风险。而这完全取决于线/缆位置的安排。相比较而言，可以选择将线/缆置于这样一个区域，使共模电流仅在该区域内部循环，而不流经那些易引起叠加或耦合的电路区域。下页图 3B 描述了当进出线缆置于相近位置时，任何共模电流将会被约束于线缆之间一块很小的区域内。这种方法“保护了” 电路板的其他区域免受共模噪音干扰。当需要采用平行线路板的时候，要控制共模的负面效应，接口的机械位置变得更加关键。一旦考虑不周，几乎所有的电路和信号拓
9、扑都将因此忍受共模电流带来的运行干扰。图 4A 表明，如果机械位置没有经过有效规划，共模电流将会对多层电路板产品产生显著影响。特别是，这种电流将在电路板层间形成内部辐射场，并会动态加强板层间连接件上的信号，如图中 E7 所示。在这个例子中，整个区域内无一处能幸免于共模电流的噪声干扰。事实上，如果机械位置选择得当，平行电路板的避免共模干扰的解决方案会变得非常简单。图 4B 给出了一个例子，说明机械安装和连接件位置相互作用，提高对共模效应的控制。产品对噪声干扰免疫性将因此增强。在图 4B 中，原来安装在上层板的连接器，被改装到了低层板上，并且在两板之间再增加一个新的接口转换连接器。连接器将将上层板
10、的电线的功能转移到了下层板上。接有多个地连接的转换连接器将会在两个板层间产生“零” 电势。这个零电势位如图“N5”所示。其他的通过机械元件（如支架）而获得的地对地的短接零位，也能够提供对任何与框架相关的共模电流效应的控制，如图 N1 到 N3 所示。N4 用于确保板间连接器上产生的损失最小。最终，所干扰性共模电流都被控制引导至一个小区域，接口对接口，避免对电路区域产生过量干扰。针对以上情况，我们该如何展开设计呢？首先要考虑到出口或入口处的所有可能的干扰电流，在此基础上建立一个“结构布局计划” ，使这些电流不能侵入敏感的电路区域。W. Michael King 是一名独立系统设计顾问，他在系统设计、集成、管理和 EMC 方面工作了超过 44 年，在这些年中，他开发了超过 1000 个系统。他为 EDN 杂志和其他出版物撰写文章，并在英国牛津大学教授一门 CPD 课程，是 EMCT 的作者： High Speed Design Tutorial (ISBN 0-7381-3340-X)，该书由 Elliott Laboratories 出版，并且被 IEEE Standards Information Network 收录。他的电子邮件是 。
