Dòng điện chếch và dòng điện chung

Chìa khóa để hiểu và giải quyết các vấn đề EMC là nắm rõ dòng điện di chuyển. Dòng điện chảy theo vòng lặp, nhưng đối với các nhà thiết kế mạch số, việc quên đi sự thật quan trọng này không hiếm. Thông thường, họ chỉ xử lý các mức điện áp trong những trường hợp đơn giản như một cổng mạch đầu vào cho một cổng mạch khác. Khi vẽ sơ đồ mạch điện, người ta thường sử dụng một hoặc nhiều ký hiệu đất để biểu thị mạch tín hiệu hoặc mạch nguồn. Điều này thường được gọi là "sơ đồ mạch điện ẩn". Các khía cạnh như cách bố trí, định nghĩa mạch vòng và cách trở về nguồn điện thường không được đề cập cụ thể hay xem xét kỹ lưỡng. Khi lớp hồi tiếp của bảng mạch được bố trí bởi bản thiết kế hoặc tự động hóa bằng phần mềm CAD, thường sẽ xuất hiện nhiều vấn đề liên quan đến EMI. Tuy nhiên, nếu hiểu rõ cách dòng hồi tiếp trở về nguồn điện và đảm bảo rằng đường hồi tiếp có điện trở thấp, thì vấn đề có thể được giải quyết tốt hơn. Nhưng để giải quyết triệt để các vấn đề EMI, vẫn còn rất nhiều chặng đường phía trước cần vượt qua.

Trước hết, cần xem xét cách dòng điện di chuyển. Ở tần số thấp (dưới 50 kHz), dòng hồi tiếp thường di chuyển theo đường dẫn có điện trở nhỏ nhất. Ở tần số cao (trên 50 kHz), dòng hồi tiếp thường di chuyển theo đường dẫn có impedance nhỏ nhất. Cần lưu ý rằng hai khái niệm này không giống nhau. Đường dẫn có điện trở nhỏ nhất phụ thuộc vào tính chất vật liệu của dây dẫn trên đường hồi tiếp và khoảng cách từ nguồn cấp điện đến tải, tức là dòng hồi tiếp chảy trực tiếp về phía nguồn. Trong khi đó, đường dẫn có impedance nhỏ nhất phụ thuộc vào hiệu ứng cảm kháng và điện dung giữa đường in tín hiệu và đường hồi tiếp, khiến dòng hồi tiếp chảy trực tiếp bên dưới đường in tín hiệu (hoặc đường in nguồn). Nguyên nhân tạo ra hiện tượng này là do ở tần số cao hơn, đường đi của dòng tín hiệu có tự cảm nhỏ nhất, năng lượng từ trường tích trữ và điện trở đường đi cũng giảm xuống, làm cho khoảng không gian vật lý (hoặc diện tích vòng lặp) giữa dòng ra và dòng hồi tiếp thường đạt mức tối thiểu. Khái niệm này sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 2 của cuốn sách.

Bằng cách quan sát cách biến áp hoạt động, ta có thể dễ dàng hiểu hơn các khái niệm nêu trên như hình 1.2. Khi dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện tần số cao chạy qua một cuộn dây của biến áp, thông qua sự ghép nối từ trường với cuộn dây lân cận, sẽ tạo ra một dòng điện ngược chiều ở cuộn dây kia. Khi dòng điện đi qua dây dẫn hoặc lớp mạch in, nguyên lý hoạt động của chúng giống hệt như khi dòng điện chảy trong các đường viền mạch in. Những thảo luận chi tiết về vấn đề này xem tại chương 2 của cuốn sách này.

Tiếp theo, hãy xem xét một khái niệm: dòng điện thường được gọi là dòng điện chế độ vi sai (Differential Mode, DM) hay dòng điện khác biệt. Đây chính là dòng tín hiệu hoặc dòng nguồn chạy từ nguồn đến tải và ngược lại từ tải về nguồn. Dòng DM chảy dọc theo vòng lặp, bao gồm dòng ra từ nguồn đến tải và dòng trở về từ tải ngược lại với nguồn. Càng gần nhau hai đường đi này, từ trường tự cảm sinh ra càng nhỏ, làm giảm sự ghép nối với các dây dẫn, đường in hoặc mạch khác. Khi buộc nguồn, dây in tín hiệu hoặc dây dẫn phải tách xa khỏi đường trở về, sẽ tạo thành một vòng lặp lớn hơn như trong Hình 1.3, và lúc này vấn đề sẽ phát sinh. Vòng lặp càng lớn thì từ trường bức xạ sinh ra càng mạnh, ngược lại, cũng dễ dàng tiếp nhận hơn từ trường do các nguồn khác tạo ra. Điều này sẽ đưa nhiễu vào các mạch điện đó.

May mắn thay, thường sử dụng lớp trở về hoặc lớp tham chiếu, và cũng thường bị gọi nhầm là lớp tiếp đất. Như đã nêu ở trên, các đường in trên lớp trở về hoặc lớp tham chiếu sẽ tạo ra sự ghép nối cảm ứng trực tiếp với đường trở về bên dưới. Các đường in có đường trở về ghép nối cục bộ giúp giảm thiểu diện tích vòng kín giữa đường in và đường trở về, từ đó làm giảm tối đa tín hiệu phát sinh từ đường in, đồng thời giảm thiểu độ nhạy của mạch đối với nhiễu bên ngoài. Tuy nhiên, khi bố trí mạch trên PCB, nếu khoảng cách giữa đường dòng tín hiệu và đường dòng trở về là nhiều lớp, hoặc nếu tồn tại đảo riêng lẻ hoặc cắt gọt trên lớp trở về hoặc lớp tham chiếu, thì lớp tham chiếu sẽ mất hết những ưu điểm của nó.

Đường đi của dòng điện DM khác với đường đi của dòng điện chung (Common Mode, CM). Điểm khác biệt giữa dòng điện CM là chúng cùng chiều khi chảy dọc theo mạch tín hiệu (hoặc đường truyền tín hiệu và mạch hồi tiếp, hoặc đường hồi tiếp). Giá trị của chúng thường rất nhỏ, ở mức microampe. Một cách dễ hiểu để phân biệt dòng điện DM và dòng điện CM là: dòng điện DM (tín hiệu số) cần một con đường hồi tiếp riêng biệt để hoạt động, trong khi dòng điện CM chỉ cần có con đường hồi tiếp chung (được chia sẻ). Nếu không cung cấp con đường hồi tiếp cho tín hiệu CM, nó sẽ tự tìm kiếm con đường này, rất dễ tạo thành một diện tích vòng kín lớn, từ đó phát ra bức xạ mạnh!

Xét trường hợp hai hệ thống con (mạch 1 và mạch 2), như minh họa trong Hình 1.4. Hệ thống con có thể là hai mạch tích hợp (IC) hoặc hai bảng mạch, chúng có cùng một đường trở về/tuyến tham chiếu. Nếu đường trở về chỉ gồm một lớp, thì trở kháng giữa hai hệ thống con sẽ rất nhỏ, ở mức mili-ohm. Dù vậy, nếu đo điện áp giữa hai điểm trên đường trở về, vẫn sẽ xuất hiện một điện áp rất nhỏ do các dòng điện khác nhau đi qua những trở kháng nhỏ này mà bị cảm ứng bởi trường điện từ (EM field). Nếu tồn tại sự sụt điện áp giữa hai điểm này, chắc chắn sẽ có dòng điện chạy qua. Chính dòng điện nhỏ này tạo ra dòng CM (current due to mutual inductance), chảy theo cùng chiều trên cả đường truyền tín hiệu và đường trở về của tín hiệu. Tình trạng này cũng thường xảy ra trên cáp I/O kết nối với sản phẩm, và rất có thể là nguyên nhân gây phát xạ bức xạ vượt ngưỡng cho phép.

Các phương pháp khác để tạo dòng CM bao gồm việc sử dụng nguồn điện áp có thể tạo ra sự ghép tụ với vỏ máy, chẳng hạn như thông qua tấm tản nhiệt của nguồn. Điện áp giữa thiết bị chuyển mạch và vỏ máy có thể tạo ra dòng CM trong toàn bộ mạch. Trong trường hợp này, cần phải tìm một điểm kết nối trên vỏ để dòng CM trở về nguồn điện. Đối với nguồn điện cô lập không có bất kỳ kết nối giao lưu nào với vỏ, điều này sẽ khiến tất cả các nguồn điện và cáp kết nối phát sinh bức xạ. Cần cố gắng đưa năng lượng điện này trở lại vỏ rồi mới quay về nguồn. Nếu ở lớp trở về có các khe hở hoặc rãnh bị bỏ qua, buộc dòng trở về đi qua một đường dài hơn, hoặc nếu độ tương thích trở kháng giữa nguồn điện và tải trong mạch tín hiệu tần số cao bị bỏ qua, cũng sẽ sinh ra dòng CM.

Do khoảng cách giữa tín hiệu CM và đường trở về rất lớn, so với DM, nhiễu CM có thể phát ra bức xạ hiệu quả hơn. Một số mô hình mô phỏng cho thấy, tùy thuộc vào tần số và hình dạng hình học của mạch dòng điện, hiệu suất bức xạ do dòng CM tạo ra cao hơn gấp 10 lần so với dòng DM. Ít nhất là có thể nói rằng năng lượng bức xạ do dòng CM 1uA tạo ra tương đương với năng lượng bức xạ do dòng DM 1mA tạo ra.