Учебное пособие 800552

Рис. 5.1. 8-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 образовавшаяся петля большой площади способна излучать или 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 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.

60

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 равен R 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 обладает меньшей индуктивностью.

В примере на рис. 5.2 частота, на которой активное и индуктивное сопротивления 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 единиц килогерца наименьшим

61

импедансом характеризуется путь с наименьшим сопротивлением, а на частотах свыше МГц – 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 превышающей 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 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.

62

Рис. 5.4. Формирование возвратного пути на ВЧ

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)

Рис. 5.6 (начало). Различные варианты исполнения линии передачи

63

б)

в)

г)

Рис. 5.6 (окончание). 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

кисточнику по экранирующей оплетке коаксиального кабеля. НЧ токи будут распределяться между оплеткой и слоем заземления, в зависимости от отношения их сопротивления.

64

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.

Контрольные вопросы к разделу

1.Почему, с точки зрения теории 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?

65

6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭКРАНИРОВАНИЯ

Если спросить любого инженера об известных ему способах борьбы с ЭМП, то, скорее всего, первым в его ответе будет упомянуто электромагнитное экранирование. Действительно, экранирование в том или ином виде используется практически во всех ЭС и приборах. Компьютеры, сотовые телефоны, бытовая аппаратура, промышленная и автомобильная электроника в подавляющем случае или выполнены в металлическом (металлизированном) корпусе или имеют электромагнитные экраны (ЭМЭ), расположенные вокруг определенных компонентов на ПП.

Экранирующие корпуса, спроектированные и изготовленные надлежащим образом, являются очень эффективным средством как подавления ЭМИ, так и защиты изделия от внешних источников ЭМП. Фактически металлический корпус без щелей, стыков или кабельных вводов может ослабить ЭМИ и увеличить электромагнитную устойчивость (ЭМУ) от 60 дБ и выше [12]. Другими словами, даже плохо спроектированная ПП может удовлетворять требованиям ЭМС, если ее поместить в металлическую коробку.

Однако использование экранирующего корпуса не подразумевает, что решением остальных вопросов обеспечения внутриаппаратурной ЭМС можно не заниматься. Качественный экранирующий корпус может в значительной степени увеличить стоимость и вес изделия, а наличие всего лишь единственного отверстия в нем (например, кабельный ввод без фильтра) может полностью свести на нет все преимущества такого подхода. В некоторых случаях изделие с неверно спроектированным экранирующим корпусом может начать излучать в еще большей степени или стать более восприимчивым, чем такое же изделие вообще без корпуса.

В процессе работы электромагнитного экрана задействованы механизмы отражения, поглощения или перенаправления электрического и/или магнитного полей. Для создания эффективного экранирования не обязательно полностью закрывать изделие. Иногда проще и дешевле организовать отдельное экранирование цепей-источников или цепей-рецепторов для предотвращения паразитной связи с другими частями устройства. Выбор правильного места расположения, ориентации и материала экрана требует знания типа экранируемого поля и назначение экрана. Руководствуясь базовыми основами теории экранирования, можно подобрать типовые решения для различных практических случаев.

6.1. Экранирование плоских волн

На рис. 6.1 представлена плоская электромагнитная волна EПАД , пада-

ющая на бесконечную плиту из экранирующего материала. Волна распространяется в вакууме в направлении х до столкновения со средой, имеющей

66

волновое сопротивление S . При распространении электромагнитной волны

в однородной среде и столкновении со средой с отличающимися электрическими свойствами часть ее энергии отразится, а оставшаяся часть продолжит распространение в прежнем направлении.

Рис. 6.1. Плоская волна, падающая на плиту из экранирующего материала

Вектор магнитного поля в плоской волне перпендикулярен вектору электрического поля и имеет амплитуду

Когда плоская волна достигает плиту, создаются отраженная волна EОТР и проходящая волна EПРОХ . Магнитное поле в экранирующем материале связано с электрическим полем выражением

поверхности x 0 немного левее и правее. Тогда для согласования выражения (6.1) с учетом (6.3) амплитуда отраженного поля должна определяться как

падающее поле передается без отражения.

Для ситуации, представленной на рис. 6.1, в случае среды с потерями, т.е. 0 , проходящая волна, по мере распространения, будет уменьшаться по амплитуде

где – толщина скин-слоя материала плиты. Для материалов с высокими потерями 1 f .

На рис. 6.2 представлен случай плоской электромагнитной волны EПАД , падающей на экранирующую стенку конечной толщины.

Рис. 6.2. Плоская волна, падающая на стенку из экранирующего материала конечной толщины

Как и в предыдущем случае, падающее поле EПАД достигает поверхности экранирующего материала, при этом часть энергии поля отражается,

аостальная часть продолжает распространение в материале, ослабляясь при этом. При достижении следующей границы раздела сред (точка x=t) часть волны вновь отражается, а оставшаяся распространяется дальше. В случае сильного ослабления волна, отразившаяся от второй границы, поглощается,

аполе, передаваемое в среду справа от стенки, определяется как

68