5. Определение путей тока

Обычно проектировщикам ЭС и приборов более удобно и привычно оперировать электрическими сигналами выраженными через напряжение. Так уровни цифровой логики описываются величиной напряжения сигнала, а источники питания величиной постоянного напряжения. Это объясняется тем, что в большинстве случаев напряжение можно легко измерить с минимальным влиянием на цепь. В свою очередь измерение тока более сложно и осуществляется путем его пропусканием через небольшое сопротивление с последующим измерением падения напряжения. Также определение тока возможно через измерение напряжения, наводимого магнитным полем в петле. Однако в большинстве случаев разработчиков интересуют максимальные величины токов, при этом на его форму или пути протекания особого внимания не обращается.

Одним из самых важных умений, которое должен совершенствовать ЭМС-инженер, это способность определять как намеренные так и нежелательные токи, протекающие в электронном модуле/устройстве/системе. Эта объясняется тем, что ток является причиной 3-х их 4-х возможных механизмов паразитного влияния описанных ранее. Без понимания того как и где в цепях протекают токи, сложно прогнозировать проблемы в новых разработках или дорабатывать существующие устройства.

5.1. Ток протекает по замкнутому контуру

Первое правило, которое необходимо помнить при определении путей тока – все токи возвращаются к своим источникам, или другими словами,

токи текут по замкнутому контуру.

Проектировщики цифровых устройств часто пренебрегают рассмотрением вопроса путей протекания тока в том или ином случае. Не редко возникают ситуации при которых путь тока от источника сигнала к нагрузке прокладывается очень тщательно, в то время как обратный путь – от нагрузки к источнику – остается без внимания.

Пример 1. В процессе разработки системы инженеру-проектировщику потребовалось соединить два блока при помощи 8-ми битного канала связи. Для этого был выбран 8-ми жильный кабель соединяющий блоки в соответствии с рис. 5.1. Однако в ходе предварительных испытаний были обнаружены серьезные проблемы в части электромагнитной

61

восприимчивости. Что с точки зрения ЭМС было сделано неверно и какие способы исправления можно предложить?

Рис. 5.1. 8-ми битная шина данных без четко выраженного возвратного пути

Как было указано в условии, кабель состоит из восьми проводников, т.е. предполагается использование по одному проводнику на каждый сигнал, а в качестве общего провода предполагалось использование системы заземления, к которой подключалось шасси каждого блока. Таким образом, возвратные токи должны вначале протекать по шасси блока-приемника, затем через питающий кабель, далее через электропроводку в здании, затем через питающий кабель и по шасси блока-источника приходить к исходной точке. Подобный высокоимпедансный путь обуславливает наличие разности потенциалов между шасси этих двух блоков, а образовавшееся петля большой площади способна принимать значительное количество ЭМП.

Продолжая анализ схемы представленной на рис. 5.1 можно видеть, что рассмотренный возвратный путь является одним из возможных, но не единственным. Например, сигнальный ток в любом проводнике также может возвращаться к источнику через любой другой сигнальный проводник. Предположив, что логическая «1» представлена напряжением +5 В, а логический «0» отсутствием напряжения, вполне вероятно, что в определенный момент времени ток от линий с логической «1» может возвращаться назад к источнику через линии с логическим «0». При этом возвратный ток, протекая через резистивные нагрузки линий с логическим «0», будет создавать на них отрицательное падение напряжения.

5.2. Электроны не читают электрические схемы

Как же определить истинный возвратный путь? Будут ли токи

62

возвращаться к своим источникам через шасси и заземление или через другие сигнальные линии, а может быть возникнет какой-либо еще неочевидный возвратный путь - зависит от соотношения импедансов возможных возвратных путей.

Второе правило, применяемое при определении путей тока – ток предпочитает путь (пути) с наименьшим импедансом. В [10] это правило сформулировано как «электроны не читают электрические схемы».

Рассмотрим структуру, представленную на рис. 5.2. Генератор создает переменное напряжение приложенное к входу коаксиального кабеля. Сигнальный ток течет по внутреннему проводнику коаксиального кабеля и достигает нагрузки (резистор). Далее возможны два пути по которым ток может вернуться к источнику. Первый путь, который подразумевает проектировщик, это экранирующая оплетка коаксиального кабеля. Однако есть и второй, неочевидный путь – по кратчайшему расстоянию через медный заземляющий слой.

Рис. 5.2. К пояснению возможных возвратных путей тока

На НЧ импеданс пути тока в основном определяется сопротивлением проводника. Поскольку короткая заземляющая шина имеет более низкое сопротивление чем экран коаксиального кабеля, то большая часть тока потечет через нее. Однако при таком возвратном пути образуется петля с относительно большой площадью. Импеданс пути тока приблизительно равенR j L , где R

- сопротивление проводника, а L - индуктивность пути.

На ВЧ больший вклад в общее сопротивление вносит индуктивность, а значит меньшим импедансом будет обладать путь с меньшей индуктивностью. Таким образом, на ВЧ ток будет возвращаться по экранирующей оплетке кабеля, поскольку этот путь минимизирует площадь петли и таким образом

63

обладает меньшей индуктивностью.

В примере на рис. 5.2 частота, на которой активное и индуктивное сопротивление равны, составляет около 5 кГц. Точное значение частоты будет зависеть от материалов и геометрии пути. Для большинства практических случаев можно принять, что на частотах до килогерца наименьшим импедансом характеризуется путь с наименьшим сопротивлением, а на частотах свыше мегагерца путь с наименьшей индуктивностью.

На рис. 5.3 представлен другой практический случай нахождения возвратного пути. Сигнальный ток с выхода «OUT» ИМС1 по медному проводнику поступает на вход «IN» ИМС2. Возвратный ток от ИМС2 через вывод «GND» (земля) поступает на заземляющий медный слой ПП и в конечном итоге приходит на вывод «GND» ИМС1 образуя замкнутый контур. Проанализируем, как будет выглядеть возвратный путь будет в данном случае.

Рис. 5.3. Определение возможных возвратных путей на простой ПП

На частотах свыше МГц преобладающим фактором при определении возвратного пути является наименьшая индуктивность. Рис. 5.4(а) дает представление о распределении тока в проводящем слое под микрополосковой линией, при протекании тока по пути с наименьшей индуктивностью. Можно отметить, что основная часть тока сосредоточена в зоне немного превышающую ширину проводника. Таким образом, на ВЧ возвратные токи в заземляющем слое будут протекать, главным образом, непосредственно под печатным проводником, как показано на рис. 5.4(б).

На частотах до кГц преобладающим фактором при определении возвратного пути является наименьшее активное сопротивление. Рис. 5.5(а) дает представление о распределении тока в проводящем слое под микрополосковой линией, при протекании тока по пути с наименьшим активным сопротивлением. Можно отметить, что основная часть тока

64

равномерно распределена вдоль слоя и обратно пропорциональна ширине платы. Таким образом, на НЧ возвратные токи в заземляющем слое будут протекать, расходясь от точки входа на заземляющий слой и вновь сходясь в точке выхода из него, как показано на рис. 5.5(б).

А Б Рис. 5.4. Формирование возвратного пути на ВЧ

А Б Рис. 5.5. Формирование возвратного пути на НЧ

Пример 2. Для всех вариантов линий передач, представленных на рис. 5.6, определите основной возвратный путь тока.

А

65

Б

В

Г

Рис. 5.6. Различные варианты исполнения линии передачи

Вварианте (а) имеется только один возможный путь для возврата тока. Таким образом, все НЧ и ВЧ токи будут возвращаться по слою заземления.

Вварианте (б) экранирующая оплетка кабеля заземлена с обоих концов, обеспечивая альтернативный возвратный путь. ВЧ токи будут возвращаться к источнику по экранирующей оплетке коаксиального кабеля. НЧ токи будут распределяться между оплеткой и слоем заземления в зависимости от

66

отношения их сопротивления.

Для ленточного кабеля, вариант (в) НЧ токи будут возвращаться, преимущественно, по проводникам 1, 2 и 7 распределяясь равномерно. ВЧ токи будут возвращаться, в основном, по проводнику 7.

Последний вариант (г) представляет соединение двух блоков посредством витой пары. Сигнальный ток течет по одному из проводников и на ВЧ возвращается по второму проводнику. Однако на НЧ значительная часть тока будет возвращаться через заземленное шасси каждого устройства. Такой непреднамеренный возвратный путь может стать причиной возникновения разнообразных проблем в части ЭМС.

5.3. Контрольные вопросы

1.Почему с точки зрения ЭМС описание сигналов через ток более предпочтительно?

2.Каким правилом объясняется возникновение в цепи возвратного

пути?

3.Каким основным принципом необходимо руководствоваться при определении возвратных путей тока?

4.Что вносит основной вклад в импеданс возвратного пути НЧ тока?

5.Каким образом будет формироваться возвратный путь для НЧ тока?

6.Что вносит основной вклад в импеданс возвратного пути ВЧ тока?

7.Каким образом будет формироваться возвратный путь для ВЧ тока?

67