探讨高频电路EMC设计的误区

2016.10.12 来源: 上海市柏芯电子技术有限公司
电磁兼容的问题常发生于高频状态下,个别问题(电压跌落与瞬时中断等)除外。高频思维,总而言之,就是器件的特性、电路的特性,在高频情况下和常规中低频状态下是不一样的,如果仍然按照普通的控制思维来判断分析,则会走入设计的误区。比如:电容,在中低频或直流情况下,就是一个储能组件,只表现为一个电容的特性,但在高频情况下,它就不仅仅是个电容了,它有一个理想电容的特性,有漏电流(在高频等效电路上表现为R),有引线电感,还在导致电压脉冲波动情况下发热的ESR(等效串联电阻),如图。从这个图上分析,能帮我们设计师得出很多有益的设计思路。第一,按照常规思路,1/2πfc是电容的容抗,应该是频率越高,容抗越小,滤波效果越好,即越高频的杂波越容易被泄放掉,但事实并非如此,因为引线电感的存在,一支电容仅仅在其1/2πfc=2πf L等式成立的时候,才是整体阻抗最小的时候,滤波效果才最好,频率高了低了都会滤波效果下降,由此就可以分析出结论,为什么在IC的VCC端都会加两支电容,一支电解的,一支瓷片的,并且容值一般相差100倍以上多一点。就是两支不同的电容的谐振频率点岔开了一段距离,既利于对稍高频的滤波,也利于对较低频的滤波。
  其次是线缆或PCB布线的高频等效特性(如图),无论高低频,走线电阻都是客观存在,但对于走线电感,则只在较高频时候才可以显现得出来。另外就是还有一个分布电容的存在,但是,在导线附近没有导体的时候,这个分布电容有也是白搭,就像没有男人,女人也不能生孩子一样,这是一个需要两个导体才可以发挥的作用。
  电感和电阻的特性比较简单,易于理解,就不赘述了。
  但磁环和磁珠的高频等效特性却不得不提一下,因为磁环对高频脉动的吸波作用,与电感的表现有点类似,所以经常被认为是电感特性,但事实上错了,磁环是个电阻特性,不过这个电阻有点特别,它的阻值大小是频率的函数R(f),如此的话,在一个带有高频波动的信号穿过磁珠的时候,高频波动会因为I2R的作用而发热,将波动干扰经过电能--磁能--热能的转化过程,所以在导线上波动比较强烈的时候,磁环摸起来会是温的。
  以上是EMC专业中高频思维的基础知识,有了这些,一系列的设计经验都可以迎刃而解了。比如:
  IC 的VCC端为何加装两只电容,一只电解电容,一只瓷片电容,是因为电容的高频等效特性,引线电感和电容的串联导致其综合阻抗随频率而变化,而在WL= (1/WC)的频率点上,是其阻抗最小的点。而且两个电容分别有自己的最小阻抗点,分别对应不同的频率点,以便于为IC不同频率范围的供电需求提供电流。
  静电工作台的接地导线用宽的铜皮带和金属丝网蛇皮管,而不是黄绿的圆形接地线缆,圆形接地线缆的走线电感量偏大,不利于高频静电电荷的泄放。
  线缆和线缆之间的间距不宜太近,否则会因为导线分布电容的存在而导致信号线缆之间出现串扰,当然,信号线对地线的耦合那又最好是近一点,这样,信号线上的波动干扰可以方便的泄放到地线上去。