EMC教程系列之识别当前路径

一般来说，电气工程师更愿意用电压而不是电流来考虑电信号。数字逻辑电平通常由信号电压决定，而电源通常是恒压源。通常可以使用简单的探针测量电路中的电压，而无需对电路进行大量加载。

另一方面，电流更难测量。通常情况下，电流通过一个小电阻并测量电阻上的电压来测量。或者，我们测量电流伴随的磁场在回路中感应的电压。在许多电路设计中，规定了最大电流，但很少注意电流波形或电流路径。

在集成电路中，从管脚流出的信号电流的最终目的地是，

1. 接地

2. 印刷电路板的接地层

3. 集成电路上的一个或多个其它引脚

EMC工程师必须培养的一项最重要的技能是识别电子系统中有意和无意电流的能力。Current主要负责第一章中描述的4种可能的EMC耦合机制中的3种。如果不了解每个电路中电流的流动方式和流向，就很难预测新设计中的问题或修复现有设计中的问题。

识别电流路径时要记住的第一条规则是所有的电流都回到它们的源头. 换句话说，电流是循环流动的。是的，存在位移电流（即当导体上的净电荷变化时产生的时变场）。然而，净电荷不能产生或破坏，流出设备一侧的电流（即传导电流和位移电流之和）必须等于流入另一侧的电流。

数字电路设计者常常忽略了设计中的电流流向。通常可以看到从信号源到负载的当前路径非常小心地布局，而从负载返回到源的路径任由偶然。

许多年前，IBM的EMC工程师正在评估一种存在严重电磁敏感性问题的产品。该系统采用了一个8位通信总线，该总线通过电缆连接在两个盒子之间。当EMC工程师检查电缆时，他们发现电缆正好有8根电线（每个信号一根，但没有一根用于返回信号电流）。产品设计师解释说，信号是指每个盒子的底盘接地的电压。产品工程师没有意识到的是，信号返回电流必须流经机箱，然后是电源电缆，然后通过建筑布线，然后通过电源线和电源盒的机箱。这个相对高阻抗路径导致两个盒子的底盘处于不同的电位。此外，与信号电流路径相关的大回路面积能够接收大量的电磁噪声。

图1：没有显式信号返回路径的8位数据总线

然而，这并不是全部。如图1所示，底盘/建筑地面是一个可能的信号电流返回路径，但它不是唯一的。在这种情况下，任何信号线中的电流也可以选择通过其他信号线返回到源。例如，假设在这种情况下，逻辑“1”由信号线上的正5伏表示，逻辑“0”表示为0伏。然后在任何给定时间，来自逻辑“1”线路的电流可以通过逻辑“0”线路返回到电源。为了实现这一点，来自逻辑“1”线路的电流将流过其自身的负载电阻，然后流过逻辑“0”线路的负载电阻，在这些负载上产生一个负电压。

电流是否会通过底盘接地或其他信号线返回各自的电源取决于这两个选项的相对阻抗。识别电流路径时要应用的第二条规则是电流有利于阻抗最小的路径 .

图2：一个简单的电流路径演示。

考虑图2所示的配置。一个变频电源在同轴电缆的输入端施加电压。信号电流沿着同轴电缆的内导体流过电缆，然后流过电阻器。在这一点上，电流有两条可能的路径返回到源。电流可以以最短的路径通过铜排，也可以沿着同轴电缆的屏蔽层流动。

在低频下，电流路径的阻抗主要由导体的电阻决定。由于短路棒的电阻比同轴电缆屏蔽层低，所以大部分电流在短路棒中流动。然而，当电流通过棒返回时，电流路径的回路面积相对较大。电流路径的阻抗约为R+j o我，其中R是导体电阻和我是路径电感

在高频下，电感成为比电阻更重要的参数，阻抗最小的路径就是电感最小的路径。因此，在高频下，电流会回流到电缆屏蔽层上。该路径使回路面积最小，因此是电感最小的路径。

在图2中的例子中，电阻和电感电抗相等的频率约为5 kHz。确切的截止频率将取决于材料和路径的几何形状。然而，对于大多数实际的电路配置，最小阻抗的路径将是在千赫兹或更低频率下电阻最小的路径。它将是在兆赫或更高频率下电感最小的路径。

以图3所示的印刷电路板为例。来自设备1输出引脚的信号电流通过铜线流向设备2的输入引脚。我们假设进入设备2的电流来自标有“GND”的引脚，进入设备1的电流来自标有“GND”的引脚，两个“GND”引脚都连接到一个固体上铜板上的飞机。在这种情况下，目前的回归路径是什么？

图3：由两个元件组成的简单印刷电路板。

图4a说明了当电流采用最小电感路径时，微带线下导电平面上的电流分布。请注意，大多数电流返回的频带宽度只有几个迹线高度。在兆赫或更高频率下，电感将决定电流返回路径，电流将主要在图5a所示轨迹正下方的狭窄路径中流动。

图4b显示了当平面的电阻是路径阻抗的主要贡献者时，平面上的电流分布。电流密度基本上均匀分布在整个平面上，并且与平面宽度成反比。如图5b所示，从顶部看，电流从其沉积在平面上的点开始扩散，并在离开平面的点再次聚集。

图4：微带线下平面表面的电流密度a.）当电感占主导地位时，b.）当电阻占主导地位时。

图5：图3中电路板平面上的电流路径：a.）MHz及以上频率，b.）kHz及以下频率。

对于图6中所示的每个配置，标识主回路电流路径。

图6：示例1的信号传输配置。

在上面的第一个配置中，返回电流只有一个可能的路径。因此，所有低频和高频电流必须返回金属表面。在第二种配置中，两端接地的电缆屏蔽提供了另一种返回路径。兆赫或更高频率的电流将返回到同轴电缆屏蔽层上的电源。千赫兹和低频电流将根据其相对电阻在两个导体之间分布。

对于带状电缆配置，低频电流主要在导线1、2和7上返回，每条导线上的电流相等。高频电流将主要通过导线7返回。

最后一个配置说明了两个与双绞线通信的设备。信号电流从线对中的一根线流出，并在高频下返回到线对中的另一根线。然而，在低频下，相当一部分（也许大部分）电流将通过每个设备的机箱接地返回。这种意外的返回路径可能会导致各种EMC问题。