识别当前路径

电气工程师通常更愿意从电压而不是电流的角度来考虑电信号。数字逻辑电平通常由信号电压决定，电源通常是恒压源。电路中的电压通常可以用简单的探头测量，而不需要对电路进行显著的加载。

另一方面，电流更难测量。通常，电流的测量方法是通过一个小电阻，然后测量电阻上的电压下降。或者，我们测量线圈中伴随电流的磁场所感应的电压。在许多电路设计中，规定了最大电流，但很少注意电流波形或电流路径。

EMC工程师必须具备的最重要的技能之一是识别电子系统中有意电流和无意电流的能力。电流是第一章中描述的4种可能的EMC耦合机制中的3种的主要原因。如果不了解每个电路中的电流流动方式和位置，就很难预测新设计中的问题或修复现有设计中的问题。

在识别电流路径时要记住的第一条规则是所有的电流都回到它们的源头．换句话说，电流是循环流动的。是的，存在位移电流(即当导体上的净电荷发生变化时产生的时变场)。然而，净电荷不能产生或消除，从器件一侧流出的电流(即导通电流和位移电流的总和)必须等于流入另一侧的电流。

数字电路设计人员经常忽略了在他们的设计中电流会流向哪里。从信号源到负载的当前路径非常仔细地布局，而从负载返回到源的路径则是随机的，这是很常见的。

许多年前，IBM的EMC工程师正在评估一个存在严重电磁敏感性问题的产品。该系统采用8位通信总线，在两个盒子之间的电缆上布线。当EMC工程师检查电缆时，他们发现它正好有8根电线(一根用于每个信号，但没有一根用于返回信号电流)。产品设计师解释说，这些信号是参考每个盒子的底盘地面的电压。产品工程师没有意识到的是，信号返回电流必须流过机箱，然后是电源线，然后穿过建筑布线，然后穿过电源盒的电源线和机箱。这种相对高阻抗的路径导致两个盒子的底盘处于不同的电位。此外，与信号电流路径相关的大环路区域能够接收大量的电磁噪声。

图1:没有显式信号返回路径的8位数据总线

然而，这并不是故事的全部。如图1所示，底盘/建筑物地面是一个可能的信号电流返回路径，但不是唯一的。在这种情况下，任何信号线中的电流也可以选择通过其他信号线返回到电源。例如，假设在这种情况下，逻辑“1”由信号线上的正5伏表示，逻辑“0”为0伏。然后在任何给定的时间，来自逻辑“1”线的电流都可以通过逻辑“0”线返回到源。为了实现这一点，来自逻辑“1”线的电流将流经它们自己的负载电阻，然后流经逻辑“0”线的负载电阻，在这些负载上产生负电压。

电流是否会通过底盘地面或通过其他信号线返回各自的源将取决于这两个选项的相对阻抗。识别电流路径时应用的第二条规则是电流倾向于阻抗最小的路径．

图2:一个简单的当前路径演示。

考虑图2所示的配置。一个变频源在输入端向同轴电缆施加电压。信号电流沿同轴电缆的内导体流过电缆，然后通过电阻。在这一点上，电流有两条可能的路径可以返回到源头。电流可以以最短路径通过铜排，也可以沿着同轴电缆的屏蔽层流动。

在低频时，电流路径的阻抗主要由导体的电阻决定。由于短路棒的电阻比同轴电缆屏蔽层低，所以大部分电流都流经短路棒。但是，当电流通过磁棒返回时，电流路径的环路面积比较大。电流路径的阻抗近似R+jωl,在那里R导体电阻和l是路径电感。

在高频时，电感比电阻更重要，阻抗最小的路径就是电感最小的路径。因此，在高频时，电流返回到电缆屏蔽上。该路径使环路面积最小，因此是电感最小的路径。

在图2的例子中，电阻和感抗相等的频率约为5khz。确切的截止频率将取决于材料和路径的几何形状。然而，对于大多数实际电路配置，最小阻抗路径将是在千赫频率和更低频率下的最小电阻路径。它将是在兆赫频率和更高频率下电感最小的路径。

考虑图3所示的印刷电路板。信号电流从设备1的输出引脚通过铜线流到设备2的输入引脚。我们假设输入设备2的电流来自标记为“GND”的引脚，而输入设备1的电流来自标记为“GND”的引脚，并且两个“GND”引脚都连接到板上的固体铜平面上。在这种情况下，当前的返回路径是什么?

图3:带有两个组件的简单印刷电路板。

图4a给出了微带线下电流经过最小电感路径时导体平面上的电流分布。请注意，大多数电流返回的频带只有几个迹高宽。在兆赫频率及更高频率时，电感将决定电流的返回路径，电流将主要在地平面上的一条窄路径上流动，直接在迹线下方，如图5a所示。

图4b说明了当平面电阻是路径阻抗的主要贡献者时平面上的电流分布。电流密度基本上均匀地分布在平面上，并与平面的宽度成反比。如图5b所示，从顶部看，电流从它沉积在平面上的点扩散出去，并在它离开平面的点再次聚集在一起。

图4:微带迹线下面的平面表面上的电流密度a.)当电感占主导地位和b.)当电阻占主导地位。

图5:图3中电路板平面上的电流路径:a.)在MHz频率和以上和b.)在kHz频率和以下。