EMC整改所需的基本概念和模型

第1章 EMC 整改需精通的基本概念和模型1.1 信号合成与分解根据傅立叶变换，方波信号可以分解为不同周期的正弦波信号。应用在电压或者电流等物理量上，可以表示为电压信号可以分解为不同周期的正弦波信 号。这就是电压信号的分解。 如果将所有的正弦波信号叠加起来，就可以描述一定周期和一定上升沿的方波信号。这就是电压信号的合成。信号合成与分解的概念主要指出：所有信号都是由不同频率的正弦信号叠加而成。处理 电路进行滤波，就是对信号的不同频率的分量进行衰减的过程。1.2 电压源VoI-OE J图 1 电压源所有的电源都是非理想的，都存在内阻。当Rl变化时，V的输出也会发生变动。 所有的干扰产生的电动势，都要经过回路进行流动，都存在内阻Rs。 理想状态希望正常电源供电时，内阻为0；干扰的内阻为无穷大。1.3 电流源图 2 电流源 通常不存在理想的电流源。Rs 为电流源的内阻。通常希望Rs为无穷大，则所有电流都通过Rl。电流源及电压源时为了分析电路时，将电路简化用的1.4 分压原理VioR2VoR1图 3 分压原理纯阻性的分压电路的形式如上图所示： 经过分压之后， Vo 的输出如下：V R1 “Vo =ViR1 + R 2阻抗形式的分压电路如下图所示：iio11zVO9图 4 阻抗形式的分压电路经过分压之后的电压输出如下：Vo 二 一Z Vi Z1 + Z 2Z1和Z2都是复数形式的阻抗。所有的滤波原理都是分压原理的应用。1.5 滤波的基本原理图 5 最基本的低通滤波 上图输入和输出之间的关系为：1Vo =唱 ViR +jc减小时，Vo的幅值也会减小。即随着3增加,电容的阻抗逐步减小iOxAAA?因此信号中高频率的成分通过该电路时，幅值就会被大大降低。同时低频信号能够保持 其原来的幅度。这就是滤波电路的基本作用，滤除无用的频率成分。滤波电路应用的是阻抗失衡的方式，对无用信号的阻抗大大低于对有用信号的阻抗。当更换电阻和电容的位置，就变成了高通滤波。VoO图 6 高通滤波输入与输出的关系如下：RVo = ViR +C1当3为+e,=0jwCVo=Vi。含有多种频率成分的信号，通过高通滤波器之后，低频信号被滤除，只有频率较高的部 分会通过以上电路。相同幅值不同频率的信号，通过该电路后，幅值大小也会不一致。这就是该电路的幅频 响应曲线。不同频率信号衰减的大小是不一样的。所谓滤除是指特定频率的信号通过该电路之后，被大大衰减了。将方波信号输入到滤波器中，输出后的波形就会发生很大变化。对于低通滤波器来说 方波信号经过滤波器后，上升沿变缓。变缓的原因在于输入方波信号中的高频成分被大大衰 减了。1.6 电容模型理想的电容的阻抗如下所示：Zc =w为角速度。随着3升高，理想电容的阻抗越小。如果电容并联在回路中，如图所示：oI-OVn/O图 7 并联在回路中的电容随着干扰信号Vn的频率的提高，由于Zc的阻抗的降低，直接导致有内阻Rs的干扰信 号在电容两端形成的压降的降低。这就是滤波用电容起作用的机制。实际电容的模型如下图所示：1(ILR.c?C图 8 实际电容的模型其中：L是引脚等引入的电容，这是PCB引布线及电容引脚引入的电感量。Rs是ESR,等效串连电阻C 是电容RL是电容的漏电阻由于rl非常大，一般在几百兆，可以忽略其影响。电容的阻抗为：Z=Rs+jwL+l/(jwC )I1公式 1|Z|= ：Rs2 + (wL -)2wC由公式 3 可知：当3 f丑，即 =时，电容具有最低的阻抗。f 也称为电容的谐振频率。当3 Vl/JC，电容的阻抗大于电感的阻抗，电容呈容性当3 1/ LC，电感的阻抗大于电容的阻抗，电容呈感性。当电容的阻抗越小，对干扰的抑制能力就越大。在谐振频率左右的信号具有最好的滤波 效果。以下是电容的阻抗频率特性：CIX3 (GRM21i图 9 电容的阻抗频率特性随着频率的升高，电容的阻抗逐步减小；到达谐振频率后，电容的阻抗和电感的阻抗抵消，整个电容的阻抗最小； 当频率继续增大时，电感的阻抗大于电容的阻抗，整个电容的阻抗又继续逐步上升。因此选取电容时，应当选择要滤除的信号的频率有关。干扰频率离谐振频率越近，电容 的滤波效果就越理想。常规根据经验选择的O.luF的去耦电容，并不符合以上原理。O.luF只是一个经验值，通常不会出问题。常用的电解电感由于寄生电感量过大，直接导致其谐振频率过低，不能用于高频滤波的 场合。因此对于所有种类的电容，常常选用陶瓷或者云母电容，主要考虑的就是寄生电感量较 小的问题。1.7 电感模型理想电感的阻抗如下所示：Zl= j W L由上式可以推出：随着W的逐步升高，电感的阻抗也会越来越大。因此当电感串连在回路当中时，对高频信号的阻抗非常大 实际常用的芯片电源滤波方式，就采用电容与电感的配合。L30EDOXTAL1XTAL2VDD图 10 电感的模型实际电感并不是理想的，线圈本身具有电阻，同时线圈绕制时存在寄生电容。 以下是实际电感的模型：Lrrrrx图 11 实际电感模型其中：L 为线圈的电感R 为线圈的电阻C 为线圈的寄生电容电感的阻抗如下：Z=jC jL + R由于 R 很小，可以忽略。C 很小，在低频时，形成的阻抗很大，并联在电路中，对电路的阻抗产生的影响很小 当高频时，电容形成的阻抗逐步减小，并联在回路中，使得电路的阻抗变得很小。以下是一个电感的频率阻抗曲线阻抗值-频率特性LQM21DFrequency (MHz)图 12 实际电感的阻抗频率特性当超过一定频率之后，电感的阻抗逐步被并联分布电容的阻抗主导，阻抗逐步下降，高 频信号在电感上产生的压降减小，从而对高频干扰信号的抑制作用减弱。电感使用时，串连在回路中，使得干扰信号在电感上的压降非常大。这样就避免了干扰 信号叠加在回路的其他敏感的器件上。由于电感限制了电流的突变，所以当电路急需大量电荷时，可能会因为电感引起电压的 降低，这算是电感应用的副作用。1.8 电路小信号模型对于干扰的分析，需要分析干扰信号的回路。 通常干扰信号均为高频信号。高频信号的回路的确定可以通过以下规则确定： 电流源断路 电压源短路 阻抗高的电路部分从电路中断开 如果具体到滤波电路，电容和电感就不能看作短路或者断路 具体使用，参考电子电路分析等电路分析方面的书籍。1.9 电流路径查看以下电路：rw?no Ro图 13 L 与 R 并联的电路 通常的设计中不会采用上图的电路。该电路主要为了给不同频率的信号提供不同的电流回路。 不同回路的阻抗会有所差异，从而给放大电路提供不同的增益。对于低频信号，根据分流原理，大部分电流会从低阻抗的通路流过。由于电感L,低频时呈现低阻抗，几乎所有电流都从L流过，R几乎被短路。 对于高频信号，L表现的阻抗较大，而R的阻抗基本无多大变化。 对于高频信号，几乎大部分电流都从R通过。以上是针对该模型的分析。实际的 PCB 中电流的流动也存在这种现象。 低频信号的回流路线沿两点之间的连线进行传输而高频信号成分的回路路线则沿着PCB走线下方的参考平面进行流动。如下图所示：图 14 电流的回流路径因此电路设计中，满足设计中的一些准则，通过控制信号的回流路径，减少RE产生的 几率。