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共模电感的设计理论讲解

2022-02-09 09:00:10

在一些主板上,我们能看到共模电感,但是在大多数主板上,我们都会发现省略了该元件,甚至有的连位置也没有预留。这样的主板,合格吗?

不可否认,共模电感对主板高速接口的共模干扰有很好的抑制作用,能有效避免EMI通过线缆形成电磁辐射影响其余外设的正常工作和我们的身体健康。但同时也需要指出,板卡的防EMI设计是一个相当庞大和系统化的工程,采用共模电感的设计只是其中的一个小部分。高速接口处有共模电感设计的板卡,不见得整体防EMI设计就y秀。所以,从共模滤波电路我们只能看到板卡设计的一个方面,这一点容易被大家忽略,犯下见木不见林的错误。

只有了解了板卡整体的防EMI设计,我们才可以评价板卡的优劣。那么,y秀的板卡设计在防EMI性能上一般都会做哪些工作呢?

主板Layout(布线)设计

对y秀的主板布线设计而言,时钟走线大多会采用屏蔽措施或者靠近地线以降低EMI。对多层PCB设计,在相邻的PCB走线层会采用开环原则,导线从一层到另一层,在设计上就会避免导线形成环状。如果走线构成闭环,就起到了天线的作用,会增强EMI辐射强度。

信号线的不等长同样会造成两条线路阻抗不平衡而形成共模干扰,因此,在板卡设计中都会将信号线以蛇形线方式处理使其阻抗尽可能的一致,减弱共模干扰。同时,蛇形线在布线时也会z大限度地减小弯曲的摆幅,以减小环形区域的面积,从而降低辐射强度。

在高速PCB设计中,走线的长度一般都不会是时钟信号波长1/4的整数倍,否则会产生谐振,产生严重的EMI辐射。同时走线要保证回流路径Z小而且通畅。对去耦电容的设计来说,其设置要靠近电源管脚,并且电容的电源走线和地线所包围的面积要尽可能地小,这样才能减小电源的纹波和噪声,降低EMI辐射。

当然,上述只是PCBEMI设计中的一小部分原则。主板的Layout设计是一门非常复杂而精深的学问,甚至很多DIYer都有这样的共识:Layout设计得y秀与否,对主板的整体性能有着极为重大的影响。

主板布线的划断

如果想将主板电路间的电磁干扰完全隔离,这是j对不可能的,因为我们没有办法将电磁干扰一个个地""起来,因此要采用其他办法来降低干扰的程度。主板PCB中的金属导线是传递干扰电流的罪魁祸首,它像天线一样传递和发射着电磁干扰信号,因此在合适的地方"截断"这些"天线"是有用的防EMI的方法。"天线"断了,再以一圈绝缘体将其包围,它对外界的干扰自然就会大大减小。如果在断开处使用滤波电容还可以更进一步降低电磁辐射泄露。这种设计能明显地增加高频工作时的稳定性和防止EMI辐射的产生,许多大的主板厂商在设计上都使用了该方法。

图注:"断开"的设计用来阻止电磁干扰借这些接口向外传送形成电磁辐射,图中电路板上的亮线清晰可见。尤其是USB接口部分采用该设计后,可在很大程度上大大改善EMI电流向外辐射的可能。

主板接口的设计

不知大家是否注意到,主板都会附送一块开口的薄铁挡片,其实这也是用来防EMI的。虽然机箱EMI屏蔽性能都不错,但电磁波还是会从机箱表面的开孔处泄漏出来,如PS/2接口、USB接口以及并、串口等的开口处。孔的大小决定了电磁干扰的泄露程度。开口的孔径越小,电磁干扰辐射的削弱程度越大。对方形孔而言,L就是其对角线长度。

使用了挡片之后,挡片上翘起的金属触片会和主板上的输入输出部分很好地通过机箱接地,不但衰减了EMI,而且减小了方孔的尺寸,进一步缩小L值,从而可以更有效地屏蔽电磁干扰辐射。

上述三点只是主板设计中除电路设计之外的几个主要防EMI设计,由此可见,主板的防EMI设计是一个整体的概念,如果整体的设计不合格,就会带来较大的电磁辐射,而这些也不是一个小小的共模电感所能弥补的。


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