EMC基本概念之电流环路 (Current Loop)

在 EMC 设计中，电流环路是一个非常基本但又非常重要的概念。深入理解电流环路对于解决 EMC 设计中的实际问题非常有帮助。然而，很遗憾的是，关于电磁兼容设计方面的资料很少提到这一概念，或者强调得不够。我们可以说常见的 EMC 问题中，有一大部分与不正确处理电流环路有关。

提到电流环路，我们可以回顾一下近两百年前德国物理学家发现的基尔霍夫电流定律：在电路中的任何一个节点上，任意时刻流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。由此可知，在一个系统中，从某一节点流出的电流一定会沿着某一路径回流到该节点。流出节点和流入节点的路径形成了一个电流环路。

(唉，我感到一丝感慨！在基尔霍夫发现这个定律时，正值他21岁的时候，另一位伟大的德国物理学家伦琴也诞生了。我们的祖国当时还在清王朝的统治下，林则徐因罪被流放到新疆伊犁已经年过六旬，但他欣喜地获得了重新被启用的消息。同年，曾多次落榜的秀才洪秀全写了《原道救世歌》和《原道醒世训》，准备发动起义。)

如图1所示，电流从 LM7805 的输出端 OUT 引脚流出，通过1k电阻和LED发光二极管后，回流到LM7805的地 GND 引脚，形成了一个完整的电流环路。在电压较高和电流较大的情况下，环路内的信号不容易受到干扰。

现在集成电路的趋势是工作电压越来越低，电流越来越小，频率越来越高。在这种情况下，面积大的电流环路就极易于被外部电磁场干扰，也容易产生干扰别人的电磁辐射。如下图2所示，如果布线时只考虑信号线，没有考虑信号线的回流路径，那么很容易产生电磁兼容问题。

另外就是板间互连的情况，如 图3，图4 所示。图3为连接两个板子的排线只有一根地线的情况，会有面积很大的电流环路存在。图4 是以固定间隔插入地线的情形，电流环路得以减小很多。

EMC 设计的一项重要工作就是识别出电流环路，并尽最大努力减小环路面积。下面是比较常用的双面 PCB 版情况比前面稍复杂一些。考虑顶层布线，底层全部铺地的情况。此时电流的回流路径跟信号的工作频率有关。如果频率较低 (几 KHz, 几十 KHz)，此时电阻起主要作用，回流路径沿底层直线最短距离走 (图5)；如果频率较高 (几 MHz 以上)，此时电抗起主要作用，回流路径在底层沿信号线正下方走 (图6)。

需要注意不要在回流路径上开槽，开孔，或者用过密的过孔，这些会导致回流路径改变。当然不要在回流路径上放置易受干扰的器件，比如 ADC，运放之类。

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