电磁兼容工程(Electromagnetic compatibility engineering Herry Ott )读书笔记--章12 数字电路的辐射
1, 继续对Henry W Ott 写的《电磁兼容工程》这本书进行读书笔记记录。
强烈推荐英文原版,原版可能更容易读懂。
2,本博客是这本书的读书笔记,它不是对书的直接翻译,主要记录阅读这本书时自己对书的理解。目的是为了加深对EMC的理解,后续可以经常翻看,以免忘记。
3, 因为阅读的过程是跳跃的,不会从书的第一页到最后一页,所以记录的过程也不是从第一章开始。本笔记就从第12章开始。
以下是笔记的内容:
https://blog.csdn.net/dylanZheng/article/details/124874191
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当前法规条件下,EMC工程在将电子产品推向市场的过程中扮演很重要的角色。通常,在产品推向市场的进程中,产品的功能不是主要的问题,主要的问题是通过EMC所要求的测试。
控制数字系统的辐射,和设计一个数字逻辑电路一样复杂和困难。应该一开始就把辐射控制当做是一个设计上的问题,而且它应该在整个产品设计的过程中获得足够的工程投入。
这个章节对辐射进行建模,并且指出辐射所依赖的一些参数。它也提供了一种预测辐射的方法。这个方法是根据一个信号特性的功能和系统的物理属性得出的。知道了各种影响辐射的参数可以帮助开发相应的技术,来最小化这些影响。
数字电路的辐射可以按照差分模式或者共模模式来进行。差分模式辐射就是电路正常操作的结果,它是由电流流经电路的环路引起的,其中电路环路是由电路的导体构建成的,如图12-1.
这些电路回路(环路)相当于一些小的环路天线,它们主要对外辐射磁场。虽然这些信号回路对于电路的功能是必需的,但是它们的大小和面积必须在设计的过程中得到控制,使得对外辐射最小。
然而,共模辐射是电路中的寄生现象的结果,它是由在导体中的不想要的电压降造成的。差分模式的电流流过地平面中的阻抗,会在地平面上产生一个电压降。当外部的电缆连接到这个系统中时,这些线缆就会被这个共模地电压差驱动,形成天线,对外主要辐射电场信号,如图12-2所示。
因为这些寄生阻抗(地平面阻抗)不是故意设计到系统中去的,也没有记录在文档中。所以共模辐射经常很难理解和控制。在设计电路的过程中,必须按照一定的步骤,来提供一些方法,处理共模辐射问题。
12.1 差分模式的辐射
差分辐射可以建模为一个小环路天线。对于一个区域面积为A的小环路,它携带的电流为Idm,在远端,距离为r的自由空间点测量,电场强度E的公式如下:
其中, E的单位是伏特/米. f的单位是赫兹,A的单位是平方米,Idm的单位是安培,r的单位是米,θ是观察点和回环所在平面的垂直面之间的夹角(按:是图12-3中观察点和Z轴的夹角吗?)
一个小小的环路,当它的周长小于波长的1/4,那么它所有的电流都是同相位的。而大回环,不是所有的电流都是同相的,因此,存在一些电流,将会减少,而不是增加整体的辐射强度。
如图12-3所示,一个小环路天线在自由空间形成的辐射模式就是一个torus(甜甜圈形状)。最大的辐射来自于环路的边上,和环路在同一个平面。在垂直于环路平面的方向(Z轴方向),没有任何辐射。因为这个电场在环路平面是有极性的,所以它最大的电场将会通过一个接收天线被检测到,这个接收天线和环路有相同的极性。如图12-3所示。
当环路的周长增加到大于1/4波长时,它的辐射模式就不再是图12-3所示的模式。当一个环路的周长等于波长时,它的辐射图会旋转90度,因此最大的辐射发生在垂直于环路平面的方向上。结果,小环路的最小辐射方向变成了大环最大辐射的方向。
尽管公式12-1是从圆形环路电路推导出来的,它同样适用于任何形状的环路,因为对于小环路来说,辐射的幅度和辐射的模式主要取决于环路面积而不是环路的形状。即所有有相等面积
的小环路,具有同样的辐射,而不管它的形状。
公式12-1中的第一个要数是介质常量, 由传播介质的决定——这里是自由空间。第二个要数定义的是辐射源的特性,即环路的特性。第三个要数代表的是当辐射场从源头传播出来后的衰减。最后一个要数是测试点所在垂直平面和环路平面的夹角,即图12-3中和Z轴的夹角。
公式12-1只是适用于自由空间的小环路辐射,而且附近没有其他物体的表面反射。然而,大部分的电子产品的EMC辐射测试地点,是在一个地平面之上的空旷区域,而不是在自由空间。地平面的反射也需要考虑到。地平面的反能够增加多达6dB的辐射测试量。考虑到这个反射,公式12-1必须乘以因数2. 那么在距离为r,和环路同一平面(
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